A molibdenita, mesmo para o olho treinado, parece quase idêntica à grafite – um cristal prateado e brilhante. Ele também age de maneira semelhante, soltando flocos de uma maneira que daria um bom preenchimento de lápis. Mas para um elétron, as duas grades de átomos formam mundos diferentes. A distinção entrou pela primeira vez no registro científico há 244 anos. Carl Scheele, um químico sueco conhecido por sua descoberta do oxigênio, mergulhou cada mineral em ácidos variados e observou as lúgubres nuvens de gás que se espalhavam. Scheele, que acabou pagando por essa abordagem com a vida, morrendo de suspeita de envenenamento por metais pesados aos 43 anos, concluiu que a molibdenita era uma substância nova. Descrevendo-o em uma carta à Real Academia Sueca de Ciências em 1778, ele escreveu: “Não me refiro aqui ao grafite comumente conhecido que se pode adquirir no boticário. Este metal de transição parece ser desconhecido.”
Com sua tendência a se desfazer em fragmentos pulverulentos, a molibdenita tornou-se um lubrificante popular no século 20. Ajudou os esquis a deslizar mais longe na neve e suavizou a saída de balas de canos de fuzil no Vietnã.
Hoje, essa mesma falsidade está alimentando uma revolução da física.
Os avanços começaram com grafite e fita adesiva. Pesquisadores descobriram por acaso em 2004 que poderiam usar fita adesiva para descascar flocos de grafite com apenas um átomo de espessura. Essas folhas cristalinas, cada uma delas uma matriz plana de átomos de carbono, tinham propriedades surpreendentes que eram radicalmente diferentes daquelas dos cristais tridimensionais de onde vieram. O grafeno (como seus descobridores o apelidaram) era uma categoria totalmente nova de substância – um material 2D. Sua descoberta transformou a física da matéria condensada, o ramo da física que busca entender as muitas formas e comportamentos da matéria. Quase metade de todos os físicos são físicos da matéria condensada; é o subcampo que nos trouxe chips de computador, lasers, lâmpadas LED, máquinas de ressonância magnética, painéis solares e todo tipo de maravilhas tecnológicas modernas. Após a descoberta do grafeno, milhares de físicos da matéria condensada começaram a estudar o novo material, esperando que ele sustentasse tecnologias futuras.
Os descobridores do grafeno receberam o Prêmio Nobel de Física em 2010. Nesse mesmo ano, dois jovens físicos da Universidade de Columbia, Jie Shan e Kin Fai Mak, viu sinais de que flocos de molibdenita podem ser ainda mais mágicos que o grafeno. O mineral menos conhecido tem propriedades que o tornam difícil de estudar – muito difícil para muitos laboratórios – mas cativou Shan e Mak. A tenaz dupla dedicou quase uma década a disputar molibdenita 2D (ou dissulfeto de molibdênio, como é chamada a versão cultivada em laboratório do cristal) e uma família de cristais 2D intimamente relacionados.
Agora seu esforço está valendo a pena. Shan e Mak, que agora são casados e dirigem um grupo de pesquisa conjunto na Universidade de Cornell, mostraram que cristais 2D de dissulfeto de molibdênio e seus parentes podem dar origem a uma enorme variedade de fenômenos quânticos exóticos. “É um playground maluco”, disse James Hone, pesquisador da Columbia que fornece cristais de alta qualidade ao laboratório de Cornell. “Você pode fazer toda a física moderna da matéria condensada em um sistema material.”
O grupo de Shan e Mak capturou elétrons se comportando de maneiras sem precedentes nesses cristais planos. Eles persuadiram as partículas a se fundirem em um fluido quântico e congelarem em uma variedade de estruturas semelhantes a gelo. Eles aprenderam a montar grades de átomos artificiais gigantescos que agora estão servindo como bancos de teste para teorias fundamentais da matéria. Desde a abertura de seu laboratório Cornell em 2018, os mestres domadores de elétrons publicaram oito artigos surpreendentes em Natureza, a revista científica de maior prestígio, bem como uma série de outros artigos. Os teóricos dizem que o casal está expandindo a compreensão do que as multidões de elétrons são capazes.
Sua pesquisa “é profundamente impressionante em muitos aspectos”, disse Filipe Kim, um proeminente físico de matéria condensada da Universidade de Harvard. “É, eu diria, sensacional.”
Ascensão dos Materiais 2D
Os atributos de um material geralmente refletem o que seus elétrons estão fazendo. Em condutores como os metais, por exemplo, os elétrons navegam entre os átomos com facilidade, transportando eletricidade. Em isolantes como madeira e vidro, os elétrons ficam parados. Semicondutores como o silício ficam no meio: seus elétrons podem ser forçados a se mover com um influxo de energia, tornando-os ideais para ligar e desligar correntes – o trabalho de um transistor. Nos últimos 50 anos, além desses três comportamentos básicos de elétrons, os físicos da matéria condensada viram as partículas carregadas leves se comportando de muitas maneiras mais exóticas.
Uma das surpresas mais dramáticas veio em 1986, quando dois pesquisadores da IBM, Georg Bednorz e Alex Müller, detectou uma corrente de elétrons movendo-se através de um cristal de óxido de cobre (“cuprato”) sem qualquer resistência. Essa supercondutividade - a capacidade da eletricidade fluir com eficiência perfeita - já havia sido vista antes, mas apenas por razões bem compreendidas em materiais resfriados a poucos graus do zero absoluto. Desta vez, Bednorz e Müller observaram uma forma misteriosa do fenômeno que persistiu em um recorde de 35 kelvins (ou seja, 35 graus acima do zero absoluto). Os cientistas logo descobriram outros cupratos que superconduzem acima de 100 kelvins. Nasceu um sonho que continua sendo talvez o objetivo número um da física da matéria condensada hoje: encontrar ou projetar uma substância que possa superconduzir eletricidade em nosso mundo quente, de aproximadamente 300 kelvin, permitindo linhas de energia sem perdas, veículos levitando e outros dispositivos hipereficientes que reduziria significativamente as necessidades energéticas da humanidade.
A chave para a supercondutividade é persuadir os elétrons, que normalmente se repelem, para formar pares e formar entidades conhecidas como bósons. Os bósons podem então se fundir coletivamente em um fluido quântico sem atrito. Forças atrativas que criam bósons, como vibrações atômicas, normalmente podem superar a repulsão dos elétrons apenas em temperaturas criogênicas ou altas pressões. Mas a necessidade dessas condições extremas impediu que a supercondutividade chegasse aos dispositivos do dia a dia. A descoberta dos cupratos aumentou as esperanças de que a rede atômica correta pudesse “colar” os elétrons com tanta firmeza que eles ficariam presos mesmo à temperatura ambiente.
Passando 40 anos após a descoberta de Bednorz e Müller, os teóricos ainda não têm certeza de como funciona a cola em cupratos, muito menos como ajustar os materiais para fortalecê-la. Assim, muitas pesquisas em física da matéria condensada são uma busca por tentativa e erro de cristais que podem manter seus elétrons emparelhados ou pastorear elétrons de outras maneiras maravilhosas. “A matéria condensada é um ramo da física que permite serendipidades”, disse Kim. Tal foi a descoberta de materiais 2004D em 2.
André Geim e Konstantin Novoselov, trabalhando com grafite na Universidade de Manchester, no Reino Unido, descoberto uma consequência chocante da descamação do material. Um cristal de grafite contém átomos de carbono dispostos em folhas de hexágonos frouxamente ligadas. Os teóricos há muito previam que, sem a influência estabilizadora da pilha, as vibrações induzidas pelo calor quebrariam uma folha de uma camada. Mas Geim e Novoselov descobriram que podiam descascar folhas estáveis e atomicamente finas com pouco mais do que fita adesiva e persistência. O grafeno foi o primeiro material verdadeiramente plano – um plano no qual os elétrons podem deslizar, mas não para cima e para baixo.
Hone, o físico de Columbia, descobriu que o material mais fino do mundo é de alguma forma também o mais forte. Foi uma surpresa notável para um material que os teóricos achavam que não iria se encaixar.
O que mais intrigou os físicos sobre o grafeno foi como a planície de carbono transformou os elétrons: nada poderia retardá-los. Os elétrons muitas vezes são tropeçados pela rede de átomos através da qual se movem, agindo mais pesadamente do que sua massa de livro (os elétrons imóveis de um isolante agem como se tivessem massa infinita). A estrutura plana do grafeno, no entanto, permite que os elétrons girem a um milhão de metros por segundo – apenas algumas centenas de vezes mais lento que a velocidade da luz. Nessa velocidade constante e alucinante, os elétrons voaram como se não tivessem massa, abençoando o grafeno com extrema (embora não super) condutividade.
Um campo inteiro surgiu em torno do material maravilhoso. Os pesquisadores também começaram a pensar de forma mais ampla. Flocos 2D de outras substâncias poderiam abrigar superpoderes próprios? Hone estava entre aqueles que se ramificaram. Em 2009, ele mediu algumas propriedades mecânicas do doppelgänger da grafite, o dissulfeto de molibdênio, e então passou o cristal para dois especialistas ópticos no laboratório de Tony Heinz, em Columbia. Foi um movimento casual que mudaria as carreiras de todos os envolvidos.
A amostra de dissulfeto de molibdênio caiu nas mãos de Jie Shan, professora visitante no início de sua carreira, e Kin Fai Mak, estudante de pós-graduação. A jovem dupla estudava como o grafeno interage com a luz, mas já havia começado a sonhar com outros materiais. Os elétrons velozes do grafeno o tornam um condutor fantástico, mas o que eles queriam era um semicondutor 2D – um material cujo fluxo de elétrons eles pudessem ligar e desligar e que, portanto, pudesse servir como um transistor.
O dissulfeto de molibdênio era conhecido por ser um semicondutor. E Shan e Mak logo descobriram que, como o grafite, ganhava poderes adicionais em 2D. Quando eles apontaram um laser em cristais 3D de “dissulfeto de molibdênio” (como eles carinhosamente chamam), os cristais ficaram escuros. Mas quando Shan e Mak arrancaram camadas com fita adesiva, atingiram-nas com um laser e as examinaram ao microscópio, viram as folhas 2D brilhando intensamente.
Pesquisas de outros grupos confirmariam mais tarde que folhas bem feitas de um material intimamente relacionado refletem cada último fóton que as atinge. “Isso é meio incompreensível”, disse Mak recentemente, quando conheci ele e Shan em seu escritório compartilhado em Cornell. “Você tem apenas uma única folha de átomos, e ela pode refletir 100% da luz como um espelho perfeito.” Eles perceberam que essa propriedade poderia levar a dispositivos ópticos espetaculares.
Independentemente, Feng Wang, um físico da Universidade da Califórnia, Berkeley, fez a mesma descoberta. Um material 2D que era altamente refletivo e um semicondutor chamou a atenção da comunidade. Ambos grupos publicaram suas descobertas em 2010; os papéis desde então receberam mais de 16,000 citações entre eles. “Todo mundo com lasers começou a ficar muito interessado em materiais 2D”, disse Hone.
Ao identificar o dissulfeto de molibdênio como um segundo material maravilhoso 2D, os dois grupos chegaram a um continente inteiro de materiais 2D. O dissulfeto de molibdênio pertence a uma família de substâncias conhecidas como dicalcogenetos de metais de transição (TMDs), em que os átomos da região central metálica da tabela periódica, como o molibdênio, se ligam a pares de compostos químicos conhecidos como calcogênios, como o enxofre. O dissulfeto de molibdênio é a única DTM que ocorre naturalmente, mas existem dezenas mais que os pesquisadores podem preparar em laboratórios - dissulfeto de tungstênio, ditelureto de molibdênio e assim por diante. A maioria forma folhas fracamente encadernadas, tornando-as suscetíveis ao lado comercial de um pedaço de fita.
A onda inicial de entusiasmo logo diminuiu, no entanto, enquanto os pesquisadores lutavam para fazer com que as DTMs fizessem mais do que brilhar. O grupo de Wang, por exemplo, recorreu ao grafeno depois de descobrir que não conseguia conectar facilmente eletrodos de metal ao dissulfeto de molibdênio. “Esse tem sido o obstáculo para o nosso grupo por alguns anos”, disse ele. “Mesmo agora não somos muito bons em fazer contato.” Parecia que a principal vantagem dos TMDs sobre o grafeno também era sua maior fraqueza: para estudar as propriedades eletrônicas de um material, os pesquisadores geralmente precisam empurrar elétrons para ele e medir a resistência da corrente resultante. Mas como os semicondutores são maus condutores, é difícil fazer entrar ou sair elétrons.
Mak e Shan inicialmente se sentiram ambivalentes. “Não estava muito claro se deveríamos continuar trabalhando no grafeno ou começar a trabalhar neste novo material”, disse Mak. “Mas desde que descobrimos que tem essa propriedade legal, continuamos a fazer mais alguns experimentos.”
Enquanto trabalhavam, os dois pesquisadores ficaram cada vez mais encantados pelo dissulfeto de molibdênio e um pelo outro. Inicialmente, seu contato era profissional, limitado em grande parte a e-mails focados em pesquisa. “Fai sempre perguntava: 'Onde está esse equipamento? Onde você colocou isso?” Shan disse. Mas eventualmente o relacionamento deles, incubado por longas horas e catalisado pelo sucesso experimental, tornou-se romântico. “Nós nos víamos com muita frequência, literalmente no mesmo laboratório trabalhando no mesmo projeto”, disse Mak. “O projeto funcionando muito bem também nos deixou felizes.”
Toda a física o tempo todo
Seria necessária uma parceria entre dois físicos dedicados com disciplina férrea para superar as DTMs problemáticas.
Os acadêmicos sempre chegavam facilmente a Shan. Crescendo na década de 1970 na província costeira de Zhejiang, ela era uma estudante estrela, destacando-se em matemática, ciências e linguagem e ganhando uma cobiçada vaga na Universidade de Ciência e Tecnologia da China em Hefei. Lá, ela se qualificou para um programa seletivo de intercâmbio cultural entre a China e a União Soviética e aproveitou a chance de estudar russo e física na Universidade Estadual de Moscou. “Quando você é adolescente, fica ansioso para explorar o mundo”, disse ela. “Eu não hesitei.”
Imediatamente, ela viu mais do mundo do que esperava. Problemas com o visto atrasaram sua chegada à Rússia em alguns meses e ela perdeu sua vaga no programa de idiomas. As autoridades encontraram outro curso para ela e, pouco depois de desembarcar em Moscou, ela embarcou em um trem e viajou 5,000 quilômetros para o leste. Três dias depois, ela chegou à cidade de Irkutsk, no meio da Sibéria, no início do inverno. “O conselho que recebi foi: 'Nunca, nunca toque em nada sem luvas'”, para que ela não ficasse presa, disse ela.
Shan manteve as luvas, aprendeu russo em um único semestre e passou a apreciar a beleza austera da paisagem invernal. Quando o curso terminou e a neve derreteu, ela retornou à capital para iniciar seu curso de física, chegando a Moscou na primavera de 1990, em meio à dissolução da União Soviética.
Foram anos caóticos. Shan viu tanques rolando pelas ruas perto da universidade enquanto os comunistas tentavam recuperar o controle do governo. Em outra ocasião, logo após um exame final, começaram as brigas. “Podíamos ouvir tiros e nos disseram para desligar as luzes do dormitório”, disse ela. Tudo, de comida a papel higiênico, era racionado por meio de um sistema de cupons. No entanto, Shan se sentiu inspirada pela resiliência de seus professores, que continuaram com suas pesquisas apesar da turbulência. “As condições eram difíceis, mas muitos dos cientistas tinham esse tipo de atitude. Eles realmente amam o que fazem, apesar do que está acontecendo”, disse ela.
Quando a ordem mundial entrou em colapso, Shan se destacou, publicando um artigo sobre óptica teórica que chamou a atenção de Heinz em Columbia. Ele a encorajou a se candidatar e ela se mudou para Nova York, onde ocasionalmente ajudava outros estudantes internacionais a se estabelecerem em um país estrangeiro. Ela recrutou Wang para trabalhar no laboratório de Heinz, por exemplo, e compartilhou dicas experimentais. “Ela me ensinou a ser paciente”, disse ele, e “como não ficar frustrado com o laser”.
A maioria dos pesquisadores assume uma posição de pós-doutorado depois de obter seu Ph.D., mas Shan ingressou na Case Western Reserve University diretamente como professora associada em 2001. Vários anos depois, em um ano sabático, ela retornou ao laboratório de Heinz em Columbia. Pela primeira vez, seu timing foi fortuito. Ela começou a colaborar com um estudante de pós-graduação charmoso e de olhos brilhantes no grupo de Heinz, Kin Fai Mak.
Mak tinha seguido um caminho diferente e menos tumultuado para Nova York. Crescendo em Hong Kong, ele lutou na escola, pois pouco além da física fazia sentido para ele. “Era a única coisa que eu gostava e era realmente bom, então escolhi física”, disse ele.
Sua pesquisa de graduação na Universidade de Hong Kong se destacou, e Heinz o recrutou para participar do programa de física da matéria condensada da Columbia. Lá, ele se jogou na pesquisa, passando quase todas as suas horas de vigília no laboratório, exceto pelo ocasional jogo de futebol intramuros. Andrea Young, uma colega de pós-graduação (agora professora assistente na Universidade da Califórnia, Santa Barbara), dividia um apartamento com Mak na West 113th Street. “Tive sorte se conseguisse pegá-lo às 2 horas da manhã para cozinhar um macarrão e falar sobre física. Era tudo física o tempo todo”, disse Young.
Mas os bons tempos não duraram. Pouco depois de uma excursão à floresta amazônica na Colômbia com Young, Mak adoeceu. Seus médicos não sabiam o que fazer com os resultados de seus testes intrigantes, e ele ficou mais doente. Uma feliz coincidência salvou sua vida. Young descreveu a situação para seu pai, um pesquisador médico, que imediatamente reconheceu os sinais de anemia aplástica – uma condição sanguínea incomum que foi objeto de sua própria pesquisa. “É realmente muito raro contrair esta doença, em primeiro lugar”, disse Mak. “E ainda mais raro pegar uma doença na qual o pai do seu colega de quarto é especialista.”
O pai de Young ajudou Mak a se inscrever em tratamentos experimentais. Ele passou grande parte de seu último ano de pós-graduação no hospital e chegou perto da morte várias vezes. Durante toda a provação, o ardor de Mak pela física o levou a continuar trabalhando. “Ele estava escrevendo PRL cartas de sua cama de hospital”, disse Young, referindo-se ao diário Physical Review Letters. “Apesar de tudo isso, ele foi um dos alunos mais produtivos de todos os tempos”, disse Heinz. “Foi uma espécie de milagre.”
Outros tratamentos eventualmente ajudaram Mak a se recuperar completamente. Young, ele próprio um conhecido experimentalista, mais tarde brincou sobre suas intervenções: “Entre amigos, chamo de minha maior contribuição para a física”.
Para o deserto 2D
Mak mudou-se para Cornell como pesquisador de pós-doutorado em 2012, quando Shan já havia retornado à Case Western. Eles buscaram projetos individuais com grafeno e outros materiais, mas também continuaram a desvendar outros segredos dos TMDs juntos.
Em Cornell, Mak aprendeu a arte das medições de transporte de elétrons - a outra maneira principal de adivinhar o movimento dos elétrons, além da óptica. Essa experiência fez dele e de Shan uma dupla ameaça em um campo em que os pesquisadores normalmente se especializam em um tipo ou outro. “Sempre que encontro Fai e Jie, reclamo: 'É injusto vocês fazerem transporte'”, disse Kim. "O que eu deveria fazer?"
Quanto mais a dupla aprendia sobre DTMs, mais intrigantes ficavam. Os pesquisadores normalmente se concentram em uma das duas propriedades dos elétrons: sua carga e rotação (ou momento angular intrínseco). Controlar o fluxo de carga elétrica é a base da eletrônica moderna. E inverter o spin dos elétrons pode levar a dispositivos “spintrônicos” que embalam mais informações em espaços menores. Em 2014, Mak ajudou a descobrir que os elétrons no dissulfeto de molibdênio 2D podem adquirir uma terceira propriedade especial: esses elétrons devem se mover com quantidades específicas de momento, um atributo controlável conhecido como “vale” que os pesquisadores especulam pode gerar ainda um terceiro campo de tecnologia “valleytronics”.
Nesse mesmo ano, Mak e Shan identificaram outra característica marcante das DTMs. Os elétrons não são as únicas entidades que se movem através de um cristal; os físicos também rastreiam “buracos”, as vagas criadas quando os elétrons saltam para outro lugar. Esses buracos podem percorrer um material como partículas reais carregadas positivamente. O buraco positivo atrai um elétron negativo para formar uma parceria fugaz, conhecida como exciton, no momento antes do elétron tapar o buraco. Shan e Mak mediu a atração entre elétrons e buracos no disseleneto de tungstênio 2D e o descobriu centenas de vezes mais forte do que em um semicondutor 3D típico. A descoberta sugeriu que os excitons em TMDs poderiam ser especialmente robustos e que, em geral, os elétrons eram mais propensos a fazer todo tipo de coisas estranhas.
O casal garantiu posições juntos na Universidade Estadual da Pensilvânia e iniciou um laboratório lá. Finalmente convencidos de que valia a pena apostar em suas carreiras em DTMs, eles fizeram dos materiais o foco de seu novo grupo. Eles também se casaram.
Enquanto isso, a equipe de Hone na Columbia viu as propriedades do grafeno ficarem ainda mais extremas quando o colocaram em cima de um isolante de alta qualidade, o nitreto de boro. Foi um dos primeiros exemplos de um dos aspectos mais inovadores dos materiais 2D: sua capacidade de empilhamento.
Coloque um material 2D em cima do outro e as camadas ficarão a uma fração de um nanômetro de distância – sem distância alguma da perspectiva de seus elétrons. Como resultado, as folhas empilhadas se fundem efetivamente em uma substância. “Não são apenas dois materiais juntos”, disse Wang. “Você realmente cria um novo material.”
Enquanto o grafeno consiste exclusivamente em átomos de carbono, a família diversificada de redes TMD traz dezenas de elementos adicionais para o jogo de empilhamento. Cada DTM tem suas próprias habilidades intrínsecas. Alguns são magnéticos; outros supercondutores. Os pesquisadores esperavam misturá-los e combiná-los com materiais de moda com seus poderes combinados.
Mas quando o grupo de Hone colocou dissulfeto de molibdênio em um isolante, as propriedades da pilha mostraram ganhos medíocres em comparação com o que haviam visto no grafeno. Eventualmente, eles perceberam que não haviam verificado a qualidade dos cristais de TMD. Quando alguns colegas colocaram seu dissulfeto de molibdênio sob um microscópio capaz de resolver átomos individuais, eles ficaram surpresos. Alguns átomos estavam no lugar errado, enquanto outros haviam desaparecido completamente. Cerca de 1 em cada 100 sítios da rede teve algum problema, impedindo a capacidade da rede de direcionar elétrons. O grafeno, em comparação, era a imagem da perfeição, com aproximadamente um defeito por milhão de átomos. “Finalmente percebemos que o material que estávamos comprando era um lixo completo”, disse Hone.
Por volta de 2016, ele decidiu entrar no negócio de crescer TMDs de grau de pesquisa. Ele recrutou um pós-doc, Daniel Rodes, com experiência no cultivo de cristais derretendo pós de matérias-primas a temperaturas extremamente altas e depois resfriando-os em um ritmo glacial. “É como cultivar balas de açúcar na água”, explicou Hone. O novo processo levou um mês, em comparação com alguns dias para métodos comerciais. Mas produziu cristais de TMD centenas a milhares de vezes melhores do que os à venda em catálogos químicos.
Antes que Shan e Mak pudessem tirar proveito dos cristais cada vez mais puros de Hone, eles enfrentaram a tarefa nada glamourosa de descobrir como trabalhar com flocos microscópicos que não gostam de aceitar elétrons. Para bombear os elétrons (a base da técnica de transporte que Mak havia aprendido no pós-doutorado), o casal ficou obcecado por inúmeros detalhes: que tipo de metal usar para o eletrodo, a que distância do TMD colocá-lo, até quais produtos químicos use para limpar os contatos. Experimentar as infinitas maneiras de configurar eletrodos foi lento e trabalhoso – “um processo demorado de refinar isso ou refinar isso pouco a pouco”, disse Mak.
Eles também passaram anos descobrindo como levantar e empilhar os flocos microscópicos, que medem apenas décimos de milionésimos de metro de diâmetro. Com essa habilidade, além dos cristais de Hone e contatos elétricos aprimorados, tudo se encaixou em 2018. O casal se mudou para Ithaca, Nova York, para assumir novos cargos em Cornell, e uma cascata de resultados pioneiros saiu do laboratório.
Avanços em Cornell
“Hoje, tudo é difícil de entender por algum motivo”, disse Zhengchao Xia, um estudante de pós-graduação do grupo de Mak e Shan, enquanto a silhueta escura de um floco de nitreto de boro ameaçava descascar e cair de volta na superfície de silício abaixo. A folha em forma de Madagascar se agarrava debilmente a um pedaço de grafite que lembrava a Arábia Saudita, assim como o papel pode se agarrar à superfície crepitante de um balão recentemente esfregado. O grafite, por sua vez, estava preso a uma gota de orvalho pegajosa de plástico presa a uma lâmina de vidro. Xia usou uma interface de computador para direcionar um suporte motorizado segurando o slide. Como um jogador de fliperama pode manobrar uma máquina de garra com um joystick, ela ergueu cautelosamente a pilha no ar a uma taxa de um quinto de um milionésimo de metro por clique do mouse, olhando atentamente para o monitor do computador para ver se havia pegou com sucesso o floco de nitreto de boro.
Ela teve. Com mais alguns cliques, a pilha de duas camadas se soltou, e Xia se moveu rápida, mas deliberadamente para depositar os flocos em um terceiro material embutido com eletrodos de metal espalhados. Com mais alguns cliques, ela aqueceu a superfície, derretendo o adesivo plástico da lâmina antes que qualquer um de nós pudesse espirrar o dispositivo microscópico.
“Eu sempre tenho esse pesadelo que simplesmente desaparece”, disse ela.
Do início ao fim, Xia levou mais de uma hora para montar a metade inferior de um dispositivo simples – o equivalente a um PB&J aberto. Ela me mostrou outra pilha que ela havia montado recentemente e falou alguns dos ingredientes, que incluíam os DTMs disseleneto de tungstênio e ditelureto de molibdênio. Uma das dezenas de sanduíches microscópicos que ela construiu e estudou no ano passado, este Dagwood de um dispositivo tinha 10 camadas colossais e levou várias horas para montar.
Este empilhamento de materiais 2D, que também é feito em laboratórios em Columbia, Massachusetts Institute of Technology, Berkeley, Harvard e outras instituições, representa a realização de um sonho de longa data dos físicos da matéria condensada. Os pesquisadores não estão mais restritos a materiais encontrados no solo ou cultivados lentamente em laboratório. Agora eles podem brincar com o equivalente atômico dos tijolos de Lego, juntando folhas para construir estruturas sob medida com as propriedades desejadas. Quando se trata de montar estruturas de DTM, poucos foram tão longe quanto o grupo Cornell.
A primeira grande descoberta de Mak e Shan em Cornell diz respeito aos excitons, os pares elétron-buraco fortemente ligados que eles viram em DTMs em 2014. Os excitons intrigam os físicos porque esses “quasipartículas” pode oferecer uma maneira indireta de alcançar um objetivo perene da física da matéria condensada: supercondutividade à temperatura ambiente.
Excitons jogam pelas mesmas regras descoladas que os pares elétron-elétron; esses pares elétron-buraco também se tornam bósons, o que os permite “condensar” em um estado quântico compartilhado conhecido como condensado de Bose-Einstein. Essa horda coerente de quasipartículas pode exibir traços quânticos como superfluidez, a capacidade de fluir sem resistência. (Quando um superfluido transporta corrente elétrica, ele superconduz.)
Mas, ao contrário dos elétrons repulsivos, os elétrons e os buracos adoram se acoplar. Os pesquisadores dizem que isso potencialmente torna a cola mais forte. Os desafios para a supercondutividade baseada em excitons estão em impedir que o elétron preencha o buraco e fazer com que os pares eletricamente neutros fluam em uma corrente – tudo em uma sala o mais quente possível. Até agora, Mak e Shan resolveram o primeiro problema e têm um plano para resolver o segundo.
Nuvens de átomos podem ser induzidas a formar condensados, resfriando-os a um fio de cabelo acima do zero absoluto com lasers poderosos. Mas os teóricos há muito suspeitam que os condensados de excitons podem se formar em temperaturas mais altas. O grupo Cornell tornou essa ideia uma realidade com seus TMDs empilháveis. Usando um sanduíche de duas camadas, eles colocam elétrons extras na camada superior e removem os elétrons da parte inferior, deixando buracos. Os elétrons e buracos se emparelham, formando excitons de longa duração porque os elétrons têm dificuldade em pular para a camada oposta para neutralizar seus parceiros. Em outubro de 2019, o grupo sinais relatados de um condensado de exciton a 100 kelvins. Nesta configuração, os excitons persistiram por dezenas de nanossegundos, uma vida útil para esse tipo de quasipartícula. No outono de 2021, o grupo descreveu um aparato aprimorado onde os excitons parecem durar milissegundos, que Mak chamou de “praticamente para sempre”.
A equipa está agora a perseguir um esquema inventado por teóricos em 2008 para criar uma corrente de éxciton. Allan Mac Donald, um proeminente teórico da matéria condensada da Universidade do Texas, Austin, e seu aluno de pós-graduação Jung-Jung Su propuseram fazer os excitons neutros fluir aplicando um campo elétrico orientado de uma maneira que incentiva os elétrons e as lacunas a se moverem na mesma direção. Para conseguir isso no laboratório, o grupo Cornell deve mais uma vez lidar com seu inimigo perene, os contatos elétricos. Nesse caso, eles precisam anexar vários conjuntos de eletrodos às camadas de TMD, alguns para fabricar os excitons e outros para movê-los.
Shan e Mak acreditam que estão no caminho certo para que os excitons fluam em até 100 kelvins em breve. Essa é uma sala fria para uma pessoa (-173 graus Celsius ou -280 graus Fahrenheit), mas é um grande salto em relação às condições de nanokelvin que a maioria dos condensados bosônicos precisa.
“Isso será por si só uma boa conquista”, disse Mak com um sorriso malicioso, “aquecer a temperatura em um bilhão de vezes”.
Materiais Mágicos Moiré
Em 2018, enquanto o laboratório de Cornell aumentava seus experimentos de TMD, outra surpresa de grafeno lançou uma segunda revolução de materiais 2D. Pablo Jarillo-Herrero, pesquisador do MIT e outro ex-aluno da Columbia, anunciou que torcer uma camada de grafeno em relação à camada abaixo criava um novo material 2D mágico. O segredo era soltar a camada superior de modo que seus hexágonos pousassem com uma leve “torção”, de modo que fossem girados exatamente 1.1 graus contra os hexágonos abaixo. Esse desalinhamento angular causa um deslocamento entre os átomos que cresce e encolhe à medida que você se move em um material, gerando um padrão repetido de grandes “supercélulas” conhecidas como super-rede moiré. MacDonald e um colega tinham calculado em 2011 que no “ângulo mágico” de 1.1 graus, a estrutura cristalina única da super-rede forçaria os elétrons do grafeno a desacelerar e sentir a repulsão de seus vizinhos.
Quando os elétrons se tornam conscientes uns dos outros, coisas estranhas acontecem. Em isolantes, condutores e semicondutores normais, acredita-se que os elétrons interagem apenas com a rede dos átomos; eles correm rápido demais para notar um ao outro. Mas, desacelerados, os elétrons podem se acotovelar e assumir coletivamente uma variedade de estados quânticos exóticos. Os experimentos de Jarillo-Herrero demonstraram que, para mal entendido razões, essa comunicação elétron-elétron em grafeno torcido de ângulo mágico dá origem a um forma especialmente forte de supercondutividade.
A superrede de grafeno moiré também apresentou aos pesquisadores uma nova maneira radical de controlar os elétrons. Na super-rede, os elétrons ficam alheios aos átomos individuais e experimentam as próprias supercélulas como se fossem átomos gigantes. Isso facilita o preenchimento das supercélulas com elétrons suficientes para formar estados quânticos coletivos. Usando um campo elétrico para aumentar ou diminuir o número médio de elétrons por supercélula, o grupo de Jarillo-Herrero foi capaz de fazer seu dispositivo de grafeno de bicamada torcida servir como um supercondutor, atuar como um isolante, ou exibir um jangada de outros, comportamentos de elétrons estranhos.
Físicos de todo o mundo correram para o campo nascente da “twistronics”. Mas muitos descobriram que torcer é difícil. Os átomos não têm motivos para cair perfeitamente no desalinhamento “mágico” de 1.1 grau, então as folhas se enrugam de maneiras que mudam completamente suas propriedades. Xia, a estudante de pós-graduação de Cornell, disse que tem vários amigos em outras universidades que trabalham com dispositivos retorcidos. A criação de um dispositivo funcional normalmente leva dezenas de tentativas. E mesmo assim, cada dispositivo se comporta de maneira diferente, então experimentos específicos são quase impossíveis de repetir.
Os TMDs apresentam uma maneira muito mais fácil de criar super-redes moiré. Como diferentes TMDs têm treliças hexagonais de tamanhos diferentes, empilhar uma treliça de hexágonos um pouco maiores sobre uma treliça menor cria um padrão moiré da mesma forma que o desalinhamento do ângulo. Nesse caso, como não há rotação entre as camadas, é mais provável que a pilha se encaixe no lugar e fique parada. Quando Xia se propõe a criar um dispositivo moiré TMD, ela disse, ela geralmente consegue quatro vezes em cinco.
Os materiais moiré TMD são os playgrounds ideais para explorar as interações eletrônicas. Como os materiais são semicondutores, seus elétrons ficam pesados à medida que percorrem os materiais, ao contrário dos elétrons frenéticos do grafeno. E as gigantescas células moiré as desaceleram ainda mais: enquanto os elétrons geralmente se movem entre os átomos por “tunelamento”, um comportamento da mecânica quântica semelhante ao teletransporte, o tunelamento raramente acontece em uma rede moiré, já que as supercélulas ficam cerca de 100 vezes mais distantes do que os átomos dentro delas . A distância ajuda os elétrons a se estabelecerem e lhes dá a chance de conhecer seus vizinhos.
O rival amigável de Shan e Mak, Feng Wang, foi um dos primeiros a reconhecer o potencial das superredes TMD moiré. Cálculos de trás do envelope sugeriram que esses materiais deveriam dar origem a uma das maneiras mais simples de os elétrons se organizarem - um estado conhecido como cristal de Wigner, onde a repulsão mútua trava os elétrons letárgicos no lugar. A equipe de Wang viu sinais de tais estados em 2020 e publicado a primeira imagem de elétrons segurando uns aos outros à distância de um braço em Natureza em 2021. Até então, a notícia das atividades de TMD moiré de Wang já havia se espalhado pela comunidade de física 2D coesa, e a fábrica de Cornell TMD estava produzindo seus próprios dispositivos TMD moiré. Shan e Mak também relataram evidências de cristais de Wigner em super-redes TMD em 2020 e descobriram em poucos meses que os elétrons em seus dispositivos poderiam cristalizar em quase duas dúzias de padrões de cristal Wigner diferentes.
Ao mesmo tempo, o grupo Cornell também estava criando materiais moiré TMD em uma ferramenta elétrica. MacDonald e colaboradores previu em 2018 que esses dispositivos têm a combinação certa de recursos técnicos para torná-los representar perfeitamente um dos modelos de brinquedos mais importantes da física da matéria condensada. O modelo de Hubbard, como é chamado, é um sistema teorizado usado para entender uma ampla variedade de comportamentos de elétrons. Proposta independente por Martin Gutzwiller, Junjiro Kanamori e John Hubbard em 1963, o modelo é a melhor tentativa dos físicos de reduzir a variedade praticamente infinita de redes cristalinas até suas características mais essenciais. Imagine uma grade de átomos hospedando elétrons. O modelo de Hubbard assume que cada elétron sente duas forças concorrentes: ele quer se mover por tunelamento para átomos vizinhos, mas também é repelido por seus vizinhos, o que o faz querer ficar onde está. Diferentes comportamentos surgem dependendo de qual desejo é mais forte. O único problema com o modelo de Hubbard é que em todos os casos, exceto o mais simples – uma sequência de átomos 1D – é matematicamente insolúvel.
De acordo com MacDonald e colegas, os materiais moiré TMD podem atuar como “simuladores” do modelo Hubbard, potencialmente resolvendo alguns dos mistérios mais profundos do campo, como a natureza da cola que liga elétrons em pares supercondutores em cupratos. Em vez de lutar com uma equação impossível, os pesquisadores poderiam soltar elétrons em um sanduíche de DTM e ver o que eles faziam. “Podemos escrever esse modelo, mas é muito difícil responder a muitas perguntas importantes”, disse MacDonald. “Agora podemos fazer isso apenas fazendo um experimento. Isso é realmente inovador.”
Para construir seu simulador de modelo Hubbard, Shan e Mak empilharam camadas de disseleneto de tungstênio e sulfeto de tungstênio para criar uma superrede moiré e conectaram eletrodos para discar para cima ou para baixo um campo elétrico que passa pelo sanduíche TMD. O campo elétrico controlava quantos elétrons preencheriam cada supercélula. Como as células agem como átomos gigantes, passar de um elétron para dois elétrons por supercélula era como transformar uma rede de átomos de hidrogênio em uma rede de átomos de hélio. Em seu publicação inicial do modelo Hubbard in Natureza em março de 2020, eles relataram simular átomos com até dois elétrons; hoje, eles podem ir até oito. De certa forma, eles perceberam o antigo objetivo de transformar chumbo em ouro. “É como afinar a química”, disse Mak, “percorrendo a tabela periódica”. Em princípio, eles podem até evocar uma grade de átomos fictícios com, digamos, 1.38 elétrons cada.
Em seguida, o grupo olhou para os corações dos átomos artificiais. Com mais eletrodos, eles poderiam controlar o “potencial” das supercélulas fazendo mudanças semelhantes à adição de prótons positivos aos centros dos átomos sintéticos gigantes. Quanto mais carga um núcleo tem, mais difícil é para os elétrons se afastarem, então esse campo elétrico permite que eles aumentem e diminuam a tendência de salto.
O controle de Mak e Shan sobre os átomos gigantes - e, portanto, o modelo de Hubbard - estava completo. O sistema TMD moiré permite que eles convoquem uma grade de átomos ersatz, mesmo aqueles que não existem na natureza, e os transformem suavemente como desejarem. É um poder que, mesmo para outros pesquisadores da área, beira a magia. “Se eu fosse destacar seu esforço mais emocionante e impressionante, seria esse”, disse Kim.
O grupo Cornell rapidamente usou seus átomos de design para resolver um debate de 70 anos. A questão era: e se você pudesse pegar um isolante e ajustar seus átomos para transformá-lo em um metal condutor? A mudança aconteceria de forma gradual ou abrupta?
Com sua alquimia moiré, Shan e Mak realizaram o experimento mental em seu laboratório. Primeiro, eles simularam átomos pesados, que prenderam elétrons para que a super-rede TMD agisse como um isolante. Em seguida, eles encolheram os átomos, enfraquecendo a armadilha até que os elétrons se tornassem capazes de saltar para a liberdade, deixando a super-rede se tornar um metal condutor. Ao observar uma resistência elétrica caindo gradualmente à medida que a super-rede agia cada vez mais como um metal, eles mostraram que a transição não é abrupta. Esse achado, que eles anunciaram in Natureza ano passado, abre a possibilidade de que os elétrons da super-rede possam alcançar um tipo de fluidez há muito procurado conhecido como líquido de spin quântico. “Esse pode ser o problema mais interessante que se pode resolver”, disse Mak.
Quase ao mesmo tempo, o casal teve sorte no que alguns físicos consideram sua descoberta mais significativa até agora. “Na verdade, foi um acidente total”, disse Mak. “Ninguém esperava.”
Quando eles iniciaram sua pesquisa no simulador Hubbard, os pesquisadores usaram sanduíches de TMD nos quais os hexágonos nas duas camadas estão alinhados, com metais de transição sobre metais de transição e calcogênios sobre calcogênios. (Foi quando eles descobriram a transição gradual do isolador para o metal.) Então, por acaso, eles repetiram o experimento com dispositivos nos quais a camada superior havia sido empilhada para trás.
Como antes, a resistência começou a cair quando os elétrons começaram a pular. Mas então caiu abruptamente, tão baixo que os pesquisadores se perguntaram se o moiré havia começado a superconduzir. Explorando mais, porém, eles mediu um padrão raro de resistência conhecido como o efeito Hall anômalo quântico - prova de que algo ainda mais estranho estava acontecendo. O efeito indicou que a estrutura cristalina do dispositivo estava forçando os elétrons ao longo da borda do material a agir de forma diferente daqueles no centro. No meio do dispositivo, os elétrons ficaram presos em um estado isolante. Mas ao redor do perímetro, eles fluíram em uma direção – explicando a resistência super baixa. Por acidente, os pesquisadores criaram um tipo de matéria extremamente incomum e frágil conhecido como isolante de Chern.
O efeito hall anômalo quântico, observado pela primeira vez em 2013, geralmente desmorona se a temperatura subir acima de alguns centésimos de kelvin. Em 2019, o grupo de Young em Santa Bárbara viu em um sanduíche de grafeno torcido único em torno de 5 kelvins. Agora Shan e Mak tinham conseguido o efeito quase na mesma temperatura, mas em um dispositivo TMD sem torção que qualquer um pode recriar. “A nossa temperatura foi mais alta, mas eu tomo a deles qualquer dia porque eles podem fazer isso 10 vezes seguidas”, disse Young. Isso significa que você pode entendê-lo “e usá-lo para realmente fazer algo”.
Mak e Shan acreditam que, com alguma manipulação, eles podem usar materiais moiré TMD para construir isoladores de Chern que sobrevivem a 50 ou 100 kelvin. Se eles forem bem-sucedidos, o trabalho pode levar a outra maneira de fazer a corrente fluir sem resistência – pelo menos para minúsculos “nanofios”, que eles podem até ligar e desligar em locais específicos dentro de um dispositivo.
Exploração em Flatland
Mesmo com os resultados históricos se acumulando, o casal não mostra sinais de desaceleração. No dia da minha visita, Mak viu os alunos mexerem em uma geladeira de diluição alta que os deixaria resfriar seus dispositivos a temperaturas mil vezes mais frias do que as com as quais trabalharam até agora. Tem havido tanta física para descobrir em condições “mais quentes” que o grupo não teve a chance de pesquisar minuciosamente o reino criogênico mais profundo em busca de sinais de supercondutividade. Se a super geladeira deixar os TMDs superconduzirem, isso responderá a outra pergunta, mostrando que uma forma de magnetismo intrínseco aos cupratos (mas ausente de TMDs) não é um ingrediente essencial da cola de ligação de elétrons. “É como matar um dos componentes importantes que os teóricos realmente queriam matar há muito tempo”, disse Mak.
Ele e Shan e seu grupo ainda nem começaram a experimentar alguns dos TMDs mais descolados. Depois de passar anos inventando o equipamento necessário para se mover pelo continente de materiais 2D, eles finalmente estão se preparando para se aventurar além da cabeça de ponte de dissulfeto de molibdênio em que desembarcaram em 2010.
Os dois pesquisadores atribuem seu sucesso a uma cultura de cooperação que absorveram na Columbia. A colaboração inicial com a Hone que os apresentou ao dissulfeto de molibdênio, eles dizem, foi apenas uma das muitas oportunidades que eles aproveitaram porque eram livres para seguir sua curiosidade. “Nós não tivemos que discutir” seus planos com Heinz, o chefe de seu laboratório, disse Shan. “Conversamos com pessoas de outros grupos. Fizemos os experimentos. Nós até fechamos as coisas.”
Hoje eles promovem um ambiente igualmente descontraído em Cornell, onde supervisionam algumas dúzias de pós-doutorandos, pesquisadores visitantes e estudantes, todos os quais são amplamente livres para fazer suas próprias coisas. “Os alunos são muito inteligentes e têm boas ideias”, disse Mak. “Às vezes você não quer interferir.”
O casamento deles também torna seu laboratório único. Os dois aprenderam a se apoiar em seus pontos fortes pessoais. Além de muita criatividade como experimentalista, Shan possui uma disciplina cuidadosa que a torna uma boa gerente; enquanto nós três conversávamos, ela frequentemente cutucava o “Professor Fai” de volta aos trilhos quando seu entusiasmo pela física o levava muito a fundo em tecnicismos. Mak, por sua vez, gosta de trabalhar ao lado dos pesquisadores em início de carreira, dentro e fora do laboratório. Recentemente, ele começou a escalar com o grupo. “Parece que o laboratório deles é a família deles”, disse Young. Shan e Mak me disseram que conseguem mais juntos do que poderiam sozinhos. "Um mais um é mais do que dois", disse Mak.
Os dispositivos que eles estão construindo também podem ser mais do que a soma de suas partes. À medida que os pesquisadores juntam folhas de TMD para criar excitons e super-redes moiré, eles especulam sobre como as novas maneiras de domesticar elétrons podem sobrecarregar a tecnologia. Mesmo que a supercondutividade pronta para o bolso permaneça indescritível, os condensados de Bose-Einstein podem levar a sensores quânticos ultrassensíveis, e um melhor controle de isoladores semelhantes a Chern pode permitir poderosos computadores quânticos. E essas são apenas as ideias óbvias. Melhorias incrementais na ciência dos materiais geralmente se somam a aplicações radicais que poucos esperavam. Os pesquisadores que desenvolveram o transistor, por exemplo, teriam lutado para prever smartphones alimentados por bilhões de interruptores microscópicos enfiados em um chip do tamanho de uma unha. E os cientistas que se esforçaram para fabricar fibras de vidro que pudessem transportar luz através de sua bancada de laboratório não poderiam ter previsto que fibras ópticas submarinas de 10,000 quilômetros um dia ligariam continentes. Materiais bidimensionais podem evoluir em direções igualmente imprevisíveis. “Uma plataforma de materiais realmente nova gera suas próprias aplicações em vez de substituir os materiais existentes”, disse Heinz.
Enquanto me levavam para o ponto de ônibus de Ithaca, Shan e Mak me contaram sobre umas férias recentes (e raras) que tiraram para Banff, Canadá, onde mais uma vez mostraram seu talento para tropeçar em surpresas através de uma mistura de esforço e sorte. Eles passaram dias tentando - em vão - localizar um urso. Então, no final da viagem, a caminho do aeroporto, eles pararam para esticar as pernas em uma reserva botânica e se depararam com um urso preto.
Da mesma forma, com a física da matéria condensada, sua abordagem é passear juntos em uma nova paisagem e ver o que aparece. “Não temos muita orientação teórica, mas apenas brincamos com experimentos”, disse Mak. “Pode falhar, mas às vezes você pode esbarrar em algo muito inesperado.”
