Os elétrons de materiais bidimensionais capazes de supercondutividade, como o grafeno de duas camadas torcidas, interagem por meio de correlações muito intensas, provocadas tanto pela repulsão entre suas cargas elétricas, quanto por interações entre os elétrons e os fônons, as vibrações mecânicas do material em nível quântico. Um novo estudo teórico de uma rede atômica de geometria “favo de mel” (honeycomb) investigou como tais interações podem transformar as propriedades eletrônicas desses materiais.
A equipe dos físicos Natanael Costa, da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), Kazuhiro Seki, do Instituto de Pesquisa Física e Química (RIKEN), Japão, e Sandro Sorella, da Escola Internacional de Estudos Avançados (SISSA), Itália, analisaram o problema do ponto de vista mais fundamental dos sistemas eletrônicos fortemente correlacionados. Eles desenvolveram métodos numéricos no estado-da-arte, de simulações de Monte Carlo quântico, para examinar Hamiltonianas efetivas.
“Para isso analisamos a rede honeycomb, incluindo em cada sítio os graus de liberdade de fônons e elétrons, que podem fazer saltos eletrônicos entre orbitais e interagir, ou por repulsão coulombiana, ou por interação mediada por fônons, de forma a levar ou não a um sistema ordenado”, Costa explica no vídeo.
Com o advento do grafeno, experimentos e estudos teóricos vem tentando desvendar as propriedades eletrônicas dos materiais bidimensionais. Compostos como os dicalcogenetos de metais de transição apresentam correlações entre seus elétrons muito intensas, que podem levar a transições para fases de ordem de longo alcance, como uma onda de densidade de carga (CDW) e a supercondutividade.
De forma similar, fortes correlações eletrônicas no grafeno de duas camadas torcidas fazem surgir uma fase isolante de Mott e uma fase supercondutora. Estudos recentes vem mostrando que a origem dessa fase supercondutora são as interações entre os elétrons e os fônons.
Costa e seus colegas conseguiram obter um diagrama de fase mostrando que, quando a interação elétron-elétron é muito mais forte do que a interação elétrón-fônon, os spins dos elétrons se organizam, levando o material a uma fase antiferromagnetica (AFM). Na situação contrária, quando a interação elétron-fônon supera a coulombiana, as cargas elétricas se organizam espacialmente em uma fase CDW. Entre as fases AFM e CDW, há uma região de fase semimetálica, sem ordem de longo alcance.
Outro resultado importante do estudo foi mostrar que os pontos de transições das fases AFM e CDW do sistema variam fortemente com a escala de energia dos fônons. Em particular, esse último resultado têm impacto direto no estudo das propriedades do grafeno (camada única ou bicamada): o surgimento de estados de borda ou fases ordenadas, seja na bicamada ou por efeito de strain na monocamada, podem ser fortemente afetados pela existência de interações elétron-fônon.
A pesquisa recebeu apoio financeiro das agências de fomento CAPES e CNPq.
Artigo científico
Magnetism and Charge Order in the Honeycomb Lattice
Natanael C. Costa, Kazuhiro Seki e Sandro Sorella
Phys. Rev. Lett. 126, 107205 – 12 de março de 2021
ArXiv:2009.05586
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