Dando um toque especial à imagem quântica

Empilhar duas camadas de grafeno uma sobre a outra – e adicionar uma ligeira “torção” entre elas – produz um materials que exibe uma série de fenômenos eletrônicos notáveis, desde o fluxo irrestrito de supercondutores até o transporte impedido de metais estranhos. Os físicos podem explorar esta rica paisagem eletrônica apenas alterando a orientação relativa entre as duas folhas deste chamado grafeno de bicamada torcida (TBG), criando um novo campo de estudo chamado twistrônica.

Acredita-se que esse comportamento intrigante, observado pela primeira vez em 2018, deriva de um forte acoplamento entre elétrons e fônons – os movimentos vibracionais quantizados de uma rede cristalina. Mas os esforços para compreender esta interação têm sido dificultados pela falta de ferramentas experimentais para sondar diretamente os fônons no TBG. Agora, uma equipe internacional de pesquisadores mostrou teoricamente como um novo tipo de microscópio poderia oferecer uma maneira de estudar o acoplamento elétron-fônon em TBG e outras redes 2D torcidas – conhecidas coletivamente como sistemas moiré (1). Tais investigações poderiam ajudar a desvendar a origem da supercondutividade na TBG, ao mesmo tempo que informariam o desenvolvimento de novos dispositivos, como interruptores supercondutores (ver Tendência: a estrada perversa e distorcida do grafeno bicamada).

O foco desta análise teórica é um instrumento denominado microscópio de torção quântica (QTM), que foi demonstrado pela primeira vez em 2023 por uma equipe liderada por Shalal Ilani do Instituto Weizmann de Ciência em Israel (2). Ao contrário de outras ferramentas de imagem que detectam elétrons como partículas em um único native, o QTM torna possível sondar o comportamento ondulatório dos elétrons, que emerge de sua capacidade quântica de aparentemente estar em vários locais ao mesmo tempo.

O instrumento customizado é baseado em um microscópio de força atômica, mas neste caso a ponta afiada é substituída por uma sonda piramidal que possui uma superfície plana em seu ápice. Esta sonda é coberta com uma única camada de um materials 2D, como o grafeno, enquanto a amostra é a mesma ou outro materials 2D montado em um substrato plano. Quando a superfície da sonda entra em contato com a amostra, ela cria uma interface plana através da qual um elétron pode percorrer muitos caminhos diferentes. “Ao fornecer a um elétron múltiplas rotas para cruzar a amostra – mas sem sabermos onde ele realmente cruzou – permitimos que o elétron protect sua frágil natureza ondulatória”, explica Ilani. E, como outras ondas, o elétron pode produzir efeitos de interferência.

O resultado dessa interferência no QTM é que o tunelamento só acontece quando as funções de onda do elétron na sonda e na amostra têm o mesmo momento. Este requisito é atendido por estados eletrônicos específicos que dependem do ângulo entre as estruturas cristalinas dos dois materiais, que podem ser alterados no QTM girando a sonda. Nas suas experiências, os investigadores podem variar continuamente o ângulo de torção – bem como a tensão de polarização aplicada entre a sonda e a amostra – enquanto registam as alterações na corrente de tunelamento. Essas medições permitem que as energias dos estados dos elétrons sejam mapeadas em função de seus momentos, produzindo a estrutura de bandas que é uma das principais propriedades quânticas dos materiais.

Experimentos iniciais em temperatura ambiente mostraram que o QTM pode ser usado para visualizar as bandas de energia eletrônica dentro do grafeno monocamada e do TBG, e até mesmo para estudar o achatamento gradual de uma banda de baixa energia no TBG quando grandes pressões locais são aplicadas. No novo trabalho (1), uma equipe de teóricos liderada por Felix van Oppen, da Universidade Livre de Berlim, trabalhou com Ilani para explorar como um QTM operando em temperaturas criogênicas pode ser usado para estudar o acoplamento entre elétrons e fônons em TBG e outros sistemas moiré.

A ideia neste caso é manter a tensão de polarização abaixo do limite no qual os elétrons podem tunelar diretamente da sonda para a amostra. Neste regime, o tunelamento só pode acontecer se um impulso further de impulso for fornecido através da liberação de um fônon. Esses fônons estão associados a vários modos vibracionais que existem dentro e através das camadas do sistema de bicamada, cada um dos quais possui uma energia característica. Esta técnica proposta revelaria o espectro de energias dos fônons, enquanto o referencial teórico apresentado pelos pesquisadores oferece uma forma de desembaraçar os diferentes processos que contribuem para o espectro dos fônons. A análise deles sugere que deveria ser possível quantificar a força do acoplamento elétron-fônon para cada modo de fônon, algo que se mostrou particularmente desafiador para outras técnicas de caracterização.

“Esta é uma informação important para compreender o papel dos fônons na física dos sistemas moiré, como o grafeno de bicamada torcida”, comenta Hector Ochoa, um teórico da Universidade de Columbia que não esteve envolvido no trabalho. Ele diz que os modelos teóricos desenvolvidos neste trabalho serão valiosos não apenas para extrair números úteis de medições de QTM, mas também para enquadrar a maneira como os físicos deveriam pensar sobre os fônons em redes 2D torcidas.

Experimentos preliminares relatados pela equipe mostraram que um QTM criogênico pode ser usado para sondar mecanismos específicos de acoplamento elétron-fônon em TBG.3). Estas descobertas iniciais já oferecem uma visão sobre os processos de acoplamento que são relevantes para o comportamento supercondutor e de metais estranhos do TBG, e sugerem que outros sistemas moiré podem ser investigados no futuro com estas novas técnicas experimentais e teóricas.

–Susan Curtis

Susan Curtis é redatora científica freelancer e mora em Bristol, Reino Unido.

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