Físicos surpresos ao descobrir que elétrons no grafeno pentacamada podem exibir carga fracionária. Um novo estudo sugere como isso poderia funcionar.
Os físicos do MIT deram um passo elementary para resolver o enigma do que leva os elétrons a se dividirem em frações de si mesmos. A solução deles esclarece as condições que dão origem a estados eletrônicos exóticos no grafeno e outros sistemas bidimensionais.
O novo trabalho é um esforço para dar sentido a uma descoberta que foi relatado no início deste ano por um grupo diferente de físicos do MIT, liderado pelo professor assistente Ju longo. A equipe de Ju descobriu que os elétrons parecem exibir “carga fracionária” no grafeno pentacamada – uma configuração de cinco camadas de grafeno empilhadas sobre uma folha de nitreto de boro com estrutura semelhante.
Ju descobriu que quando enviava uma corrente eléctrica através da estrutura da pentacamada, os electrões pareciam passar através dela como fracções da sua carga whole, mesmo na ausência de um campo magnético. Os cientistas já haviam demonstrado que os elétrons podem se dividir em frações sob um campo magnético muito forte, no que é conhecido como efeito Corridor quântico fracionário. O trabalho de Ju foi o primeiro a descobrir que este efeito period possível no grafeno sem campo magnético – que até recentemente não se esperava que exibisse tal efeito.
O fenômeno foi cunhado como “efeito Corridor anômalo quântico fracionário”, e os teóricos estão ansiosos para encontrar uma explicação de como a carga fracionária pode emergir do grafeno pentacamada.
O novo estudo, liderado pelo professor de física do MIT Senthil Todadrifornece uma parte essential da resposta. Por meio de cálculos de interações da mecânica quântica, ele e seus colegas mostram que os elétrons formam uma espécie de estrutura cristalina, cujas propriedades são ideais para o surgimento de frações de elétrons.
“Este é um mecanismo completamente novo, o que significa que, nas décadas de história, as pessoas nunca tiveram um sistema voltado para esses tipos de fenômenos de elétrons fracionários”, diz Todadri. “É realmente emocionante porque torna possíveis todos os tipos de novos experimentos com os quais antes só poderíamos sonhar.”
O estudo da equipe apareceu na semana passada no jornal Cartas de revisão física. Duas outras equipes de pesquisa – uma da Universidade Johns Hopkins e outra da Universidade de Harvard, da Universidade da Califórnia em Berkeley e do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley – publicaram resultados semelhantes na mesma edição. A equipe do MIT inclui Zhihuan Dong PhD ’24 e o ex-pós-doutorado Adarsh Patri.
“Fenômenos fracionários”
Em 2018, professor de física do MIT Pablo Jarillo-Herrero e seus colegas foram os primeiros a observar que um novo comportamento eletrônico poderia emergir do empilhamento e torção de duas folhas de grafeno. Cada camada de grafeno é tão fina quanto um único átomo e estruturada em uma rede de arame de átomos de carbono hexagonais. Ao empilhar duas folhas em um ângulo muito específico entre si, ele descobriu que a interferência resultante, ou padrão moiré, induzia fenômenos inesperados, como propriedades supercondutoras e isolantes no mesmo materials. Este “grafeno de ângulo mágico”, como brand foi cunhado, deu início a um novo campo conhecido como twistrônica, o estudo do comportamento eletrônico em materiais bidimensionais torcidos.
“Pouco depois de seus experimentos, percebemos que esses sistemas moiré seriam plataformas ideais em geral para encontrar os tipos de condições que permitem o surgimento dessas fases fracionárias de elétrons”, diz Todadri, que colaborou com Jarillo-Herrero em um estudo no mesmo ano para mostrar que, em teoria, tais sistemas torcidos poderiam exibir carga fracionária sem campo magnético. “Estávamos defendendo esses sistemas como os melhores para procurar esses tipos de fenômenos fracionários”, diz ele.
Então, em setembro de 2023, Todadri atendeu uma ligação do Zoom com Ju, que conhecia o trabalho teórico de Todari e manteve contato com ele por meio do próprio trabalho experimental de Ju.
“Ele me ligou num sábado e me mostrou os dados em que viu essas frações (de elétrons) no grafeno pentacamada”, lembra Todadri. “E isso foi uma grande surpresa porque não aconteceu da maneira que pensávamos.”
Em seu artigo de 2018, Todadri previu que a carga fracionária deveria emergir de uma fase precursora caracterizada por uma torção explicit da função de onda do elétron. Em termos gerais, ele teorizou que as propriedades quânticas de um elétron deveriam ter uma certa torção, ou grau em que pudessem ser manipuladas sem alterar sua estrutura inerente. Esse enrolamento, previu ele, deveria aumentar com o número de camadas de grafeno adicionadas a uma determinada estrutura moiré.
“Para o grafeno pentacamada, pensávamos que a função de onda giraria cinco vezes, e isso seria um precursor das frações de elétrons”, diz Todadri. “Mas ele fez seus experimentos e descobriu que ele dá voltas, mas apenas uma vez. Isso levantou então esta grande questão: como devemos pensar sobre tudo o que estamos vendo?”
Cristal extraordinário
No novo estudo da equipe, Todadri voltou a descobrir como as frações de elétrons poderiam emergir do grafeno pentacamada, se não através do caminho que ele previu inicialmente. Os físicos examinaram sua hipótese unique e perceberam que poderiam ter perdido um ingrediente-chave.
“A estratégia padrão na área ao descobrir o que está acontecendo em qualquer sistema eletrônico é tratar os elétrons como atores independentes e, a partir disso, descobrir sua topologia, ou enrolamento”, explica Todadri. “Mas, pelas experiências de Lengthy, sabíamos que esta aproximação devia estar incorreta.”
Embora na maioria dos materiais os elétrons tenham bastante espaço para se repelirem e se movimentarem como agentes independentes, as partículas estão muito mais confinadas em estruturas bidimensionais, como o grafeno pentacamada. Em ambientes tão apertados, a equipe percebeu que os elétrons também deveriam ser forçados a interagir, comportando-se de acordo com suas correlações quânticas, além de sua repulsão pure. Quando os físicos adicionaram interações intereletrônicas à sua teoria, eles descobriram que ela previu corretamente o enrolamento que Ju observou para o grafeno pentacamada.
Assim que obtivessem uma previsão teórica que correspondesse às observações, a equipe poderia trabalhar a partir dessa previsão para identificar um mecanismo pelo qual o grafeno pentacamada dava origem à carga fracionária.
Eles descobriram que o arranjo moiré do grafeno pentacamada, no qual cada camada semelhante a uma rede de átomos de carbono está disposta sobre a outra e sobre o nitreto de boro, induz um potencial elétrico fraco. Quando os elétrons passam por esse potencial, eles formam uma espécie de cristal, ou formação periódica, que confina os elétrons e os força a interagir por meio de suas correlações quânticas. Este cabo de guerra de elétrons cria uma espécie de nuvem de estados físicos possíveis para cada elétron, que interage com todas as outras nuvens de elétrons no cristal, em uma função de onda, ou um padrão de correlações quânticas, que fornece o enrolamento que deve definir o estágio para os elétrons se dividirem em frações de si mesmos.
“Este cristal tem todo um conjunto de propriedades incomuns que são diferentes dos cristais comuns e leva a muitas questões fascinantes para pesquisas futuras”, diz Todadri. “No curto prazo, este mecanismo fornece a base teórica para a compreensão das observações de frações de elétrons no grafeno pentacamada e para a previsão de outros sistemas com física semelhante.”
Este trabalho foi apoiado, em parte, pela Nationwide Science Basis e pela Simons Basis.
