Torção de bicamada de grafeno gera um novo tipo de ligação molecular

Os átomos mostram-se localmente como se estivessem isolados uns dos outros, mas por causa de correlações quânticas não locais a estrutura ainda apresenta um caráter molecular. Resultado foi obtido em estudo teórico conduzido na Unesp

José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – A “twistrônica” é uma variante da eletrônica que descreve o que acontece quando duas folhas de grafeno, quase bidimensionais, são empilhadas e, mantido o empilhamento, uma delas é girada sobre a outra. Quando a torção (twist em inglês) entre as folhas atinge um ângulo específico, chamado de “ângulo mágico”, que vale cerca de 1,1 grau, a bicamada torcida de grafeno (TBG, do inglês twisted bilayer graphene) passa a apresentar uma competição de dois comportamentos antagônicos: isolante e supercondutor.

O fenômeno foi obtido experimentalmente por um grupo de pesquisadores liderado por Pablo Jarillo-Herrero no Departamento de Física do Massachusetts Institute of Technology (MIT), Estados Unidos. E descrito em artigo publicado na revista Nature em 2018.

Um novo estudo, desta vez teórico, obteve, no lugar dos estados isolante e supercondutor, um outro estado possível: o metálico. O trabalho foi realizado com apoio da FAPESP pela equipe coordenada pelo professor Antonio Seridonio no Departamento de Física e Química da Universidade Estadual Paulista (DFQ-Unesp), em Ilha Solteira. Os resultados foram recentemente publicados no periódico 2D Materials.

“No estado isolante, tecnicamente chamado de ‘estado isolante de Mott’, a interação elétron-elétron é repulsiva e dominante. A repulsão dificulta o transporte eletrônico pelo sistema e isso caracteriza a condição de isolamento elétrico. Já no estado supercondutor, ocorre um comportamento contraintuitivo, que é a atração entre os elétrons. Isso gera um novo portador de carga, o chamado ‘par de Cooper’, composto por dois elétrons que fluem juntos pelo material sem dissipação de energia, o que define a supercondutividade”, explica Seridonio.

E continua: “No estado metálico, considerado em nosso trabalho, o TBG não apresenta um gap entre a banda eletrônica de valência [aquela preenchida por elétrons] e a banda eletrônica de condução [aquela que apresenta espaços vazios]. Porém, como o material tem um número periódico de átomos, seus espectros discretos de energia se superpõem e dão origem a espectros contínuos, com energias infinitamente próximas umas das outras.”

Para melhor caracterizar esse estado metálico, o estudo considerou a adsorção de impurezas na super-rede de moiré gerada pelo movimento relativo das duas folhas. O termo “moiré”, de origem francesa, vem da tecelagem e designa um tipo de tecido de padrão ondulado. Em física, é usado para nomear os padrões de interferência que se formam quando duas redes são sobrepostas e rotacionam uma em relação a outra. A expressão “super-rede” é utilizada no caso porque esse padrão de interferência se apresenta em uma escala de tamanho muito maior do que a da rede de grafeno [figura A].

“O que encontramos foi um novo tipo de ligação molecular covalente. A ligação covalente usual é aquela em que átomos da molécula compartilham elétrons devido à superposição de seus orbitais atômicos. Porém, na ‘torção mágica’ da bicamada de grafeno, esse cenário se modifica drasticamente quando um campo elétrico é aplicado ao sistema. O campo quebra a simetria de inversão dos ‘cones de Dirac’ e possibilita a emergência de um estado molecular atomicamente frustrado. Neste, os átomos mostram-se localmente como se estivessem isolados uns dos outros, mas, por causa de correlações quânticas não locais mediadas pela super-rede de moiré, eles ainda apresentam um caráter molecular”, informa Seridonio.

Aqui, é preciso abrir um parêntese para explicar o significado dos “cones de Dirac”. Assim nomeados em referência ao físico britânico Paul Dirac (1902-1984), que deu contribuições fundamentais para o desenvolvimento da mecânica e da eletrodinâmica quânticas, essas superfícies cônicas, semelhantes a ampulhetas, descrevem as configurações eletrônicas de certos materiais, como o grafeno e outros, em níveis específicos de energia. As metades superior e inferior da ampulheta representam cones que correspondem às bandas de condução e de valência, respectivamente. Estas só se encontram nos pontos centrais, chamados de “pontos de Dirac”.

“Para entendermos melhor o papel dos cones de Dirac e do campo elétrico no aparecimento da ligação molecular que encontramos em nosso estudo é interessante fazer uso de uma analogia. Imaginemos os cones de Dirac como as duas metades de uma ampulheta com seus vértices unidos em um único ponto. Esse ponto é o marco zero de energia, onde só cabe um grão de areia, mas que se encontra vazio no início, devido à ausência de um campo elétrico externo. Chamamos esse ponto vazio, sem grão, de ‘pseudogap’ ou ponto de Dirac”, afirma Seridonio.

E prossegue: “O cone superior, de ponta-cabeça, faz o papel da banda de condução e está equilibrado pelo vértice do cone inferior, que emula a banda de valência. Esse último cone, por sua vez, encontra-se plenamente preenchido por areia até uma altura logo abaixo do ‘pseudogap’ e representa o número ideal de elétrons do sistema. Como temos duas folhas de grafeno formando o TBG, há duas ampulhetas nessa condição [figura B]. No ‘ângulo mágico’, é como se as ampulhetas ficassem perfeitamente achatadas, pois a inclinação dos cones torna-se zero. O campo elétrico fecha o ‘pseudogap’, preenchendo-o com areia, e o achatamento dos cones comprime todos os níveis de energia moleculares nesse ponto, onde só cabe um grão, que corresponde ao nível de energia zero [com o achatamento total dos cones, sua representação gráfica fica reduzida a uma linha horizontal; a figura C mostra uma situação de transição, em que os cones aparecem achatados, mas não completamente].”

O pesquisador acrescenta que, estando os cones achatados, a configuração eletrônica não sai do nível zero de energia. Todo o espectro molecular é reduzido a um único estado quântico de energia zero. E torna-se robusto nesse sentido. A molécula “tenta” dissociar-se em átomos independentes, mas “não consegue”, pois os níveis de energia encontram-se altamente “espremidos” pelo colapso dos cones de Dirac. Assim, a molécula se torna “atomicamente frustrada”.

“Esse tipo de configuração é chamado de ‘modo zero de energia’. E, se o aumento progressivo da magnitude do campo elétrico não for capaz de remover esse modo, que fica cravado no zero indefinidamente, ele se torna imune a perturbações externas e é considerado ‘robusto’. A robusteza é um dos principais requisitos para a realização de uma computação quântica topológica”, ressalta Seridonio.

O estudo em pauta, coordenado por Seridonio, faz parte da pesquisa de doutorado de William Nobuhiro Mizobata, autor principal do artigo e aluno da Pós-Graduação em Ciência dos Materiais do DFQ-Unesp. Contou com a participação dos doutorandos José Eduardo Cardoso Sanches e Willian Carvalho da Silva, além do mestre Mathaus Penha e do graduando Carlos Alberto Batista Carvalho. Colaboraram ainda os professores Valdeci Pereira Mariano de Souza (Unesp de Rio Claro) e Marcos Sérgio Figueira da Silva (Universidade Federal Fluminense – UFF).

O artigo Atomic frustration-based twistronics pode ser acessado em: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2053-1583/ac277f. Também está disponível no repositório arXiv: https://arxiv.org/abs/2110.04909.