Grafenos dão passo à frente dos nanotubos

Phil Schewe e Ben Stein - American Institute of Physics - 05/04/2006

Moléculas de carbono bidimensionais, ou grafenos, têm muitas das interessantes propriedades do carbono unidimensional (na forma de nanotubos): os elétrons podem se mover a altas velocidades, sofrendo perdas de energia muito pequenas.

Segundo o cientistas Walt de Heer (da Universidade Georgia Tech, Estados Unidos), que fez uma apresentação esta semana na reunião da Sociedade Física Americana, o grafeno representará uma plataforma mais controlável para a microeletrônica do que seria possível com os nanotubos, já que as estruturas de grafeno podem ser fabricadas em grandes pastilhas pelo método da litografia.

Grandes folhas de grafeno somente foram isoladas em 2004 por Andre Geim, da Universidade de Manchester (veja Cientistas produzem nanotecido com apenas um átomo de espessura). No grafeno, a velocidade dos elétrons é independente da energia. Ou seja, os elétrons se movem como se fossem ondas de luz; eles se comportam como se fossem partículas sem massa.

Essa propriedade extraordinária foi explicada em Novembro de 2005 por meio de experiências utilizando o Efeito Hall Quântico (QHE), no qual os elétrons, confinados em um plano e sujeitos a fortíssimos campos magnéticos, fazem apenas trajetórias quânticas previsíveis. Estes experimentos foram feitos pelas equipes do Dr. Geim e de Philip Kim (Universidade de Colúmbia).

Os estudos do Efeito Hall Quântico (QHE) também revelaram que, quando um elétron faz uma trajetória circular completa no campo magnético aplicado, sua função de onda (encapsulando a natureza quântica de onda do elétron) é alterada em 180 graus. Esta modificação, chamada "Fase de Berry", age reduzindo a propensão dos elétrons para se espalhar na direção contrária; em contrapartida, isso ajuda a reduzir a perda de energia do elétron.

O Dr. Geim acrescentou um novo capítulo a essa história. Estudando o QHE em camadas duplas de grafeno, ele observou uma nova versão desse efeito quântico, que apresenta uma Fase de Berry dupla, com 360 graus. Geim fez uma comparação com algumas teorias cosmológicas, nas quais múltiplos universos podem coexistir, cada um com seu próprio conjunto de constantes físicas; no grafeno, afirma ele, onde os elétrons se movem de forma parecida com a luz, com uma velocidade extremamente rápida - mas ligeiramente menor do que a velocidade da luz no vácuo - o parâmetro que estabelece a escala da força eletromagnética, ou constante de estrutura fina, definida como e²/hc, tem um valor de aproximadamente 2, ao invés do costumeiro 1/137.

O objetivo agora é aprender mais sobre a física dos grafenos e então se preocupar com suas aplicações. Por exemplo, Walt de Heer demonstrou que a plotagem da resistência em função do campo magnético aplicado tem um formato fractal.

No tocante às aplicações, ele afirmou que, num chip totalmente de grafeno, poderão não ser necessárias as interconexões metálicas tradicionais entre os componentes, que tendem a atrapalhar as interações quânticas. Assim, a natureza de onda dos elétrons poderá ser totalmente explorada com o objetivo de se processar quanticamente as informações.

O grupo do Dr. de Heer já está tentando construir circuitos assim; eles construíram estruturas de grafeno (incluindo um transistor de grafeno) de apenas 80 nanômetros de comprimento e esperam chegar a 10 nanômetros.