No laboratório da Universidade Cornell, os cientistas depararam-se por acaso com um material que se comporta como se nele coexistissem simultaneamente dois mundos opostos de elétrons. Trata-se do grafeno romboédrico de seis camadas — seis folhas de carbono empilhadas com um deslocamento num padrão repetitivo. Em vez de estudarem camadas torcidas, os pesquisadores obtiveram uma pilha regular, e foi precisamente ela que revelou fases quânticas inesperadas.
O grafeno é há muito conhecido pela sua resistência e condutividade, mas quando as camadas se empilham de uma determinada maneira, os elétrons começam a interagir entre si com muito mais força. Na versão de seis camadas, a uma determinada densidade de portadores de carga e sob um campo elétrico externo, surge um regime em que elétrons e lacunas coexistem e se correlacionam fortemente. Isso lembra uma multidão de pessoas, em que cada uma influencia o movimento do vizinho, em vez de simplesmente seguir o seu próprio caminho.
As medições mostraram o desaparecimento da resistência elétrica — um indício de supercondutividade — e um efeito Hall anómalo, que aponta para magnetismo orbital. Dois estados supercondutores surgiram precisamente onde os elétrons e as lacunas se cruzam. Aparentemente, a sua interação desempenha um papel fundamental na formação dessas fases, algo que não foi observado no grafeno de cinco camadas.
O dispositivo foi colocado entre camadas de nitreto de boro e controlado pelo campo das portas. Variando a temperatura, o campo magnético e a concentração de portadores, a equipa construiu um diagrama de fases detalhado. Nele são claramente visíveis isolantes induzidos por interações, regiões de supercondutividade e dois tipos de magnetismo orbital. Os resultados foram publicados na Nature Physics.
A descoberta é importante não só para a física fundamental. Compreender como a interação entre elétrons e lacunas gera supercondutividade sem os mecanismos tradicionais pode aproximar a criação de materiais que funcionam a temperaturas mais elevadas. Tais materiais serão úteis em computadores quânticos, linhas de transmissão energeticamente eficientes e novos sensores.
Atualmente, os pesquisadores aprofundam o estudo da natureza do magnetismo orbital. Eles testam a hipótese de que parte dos portadores forma uma estrutura semelhante a um cristal, enquanto os restantes permanecem num estado semelhante a um líquido. Estas questões vão além do âmbito do trabalho atual, mas já agora é claro: o grafeno de seis camadas tornou-se uma nova plataforma para o estudo das correlações quânticas.
A descoberta acidental lembra mais uma vez que, no mundo dos materiais bidimensionais, basta alterar o número de camadas ou a sua disposição mútua — e as propriedades habituais transformam-se em algo completamente novo.
