Estados quânticos emergentes em novos materiais 2D

A lista de propriedades impressionantes do grafeno é longa, mas há ainda importantes omissões. As entradas em falta incluem
magnetismo intrínseco, supercondutividade e fases topológicas. Estes três estados foram previstos para o grafeno, mas uma análise teórica mais profunda juntamente com resultados experimentais tornou evidente a dificuldade de realizar estes estados no grafeno.
1) Magnetismo intrínseco
Com previsão de realização sob variadas formas, por exemplo ferromagnetismo na bicamada de grfeno, a forma mais
prometedora envolve os estados de energia zero induzidos pela ausência de átomos na rede (lacunas). Experimentalmente
apenas comportamento paramagnético foi observado.
2) Supercondutividade
Observada em grafite intercalada, a sua realização em grafeno exige níveis de dopagem proibitivos.
3) Fases topológicas
Uma das primeiras previsões de um isolador topológico foi feita para o grafeno. O efeito é impedido pelo acoplamento
spin-órbita negligenciável no grafeno. A Natureza, contudo, oferece muitos outros materiais 2D. Este é precisamente o aspecto inovador do presente projecto, onde nos propomos explorar a possibilidade dos estados quânticos referidos acima serem favoráveis noutros materias 2D. O estudo de materiais 2D pós-grafeno tem papel chave para melhorar as propriedades do grafeno combinando-o com estes novos cristais 2D, permitindo ampliar o espectro de aplicações funcionais do grafeno.
O nosso enfoque será nos calcogénios de metais de transição, com ênfase no MoS2. Camadas atómicas deste material podem ser obtidas por esfoliação mecânica ou deposição química em fase vapor. Também será explorado o siliceno, que é o equivalente do grafeno no silício. É produzido por epitaxia na superfície Ag(111). A escolha destes materiais baseia-se na evidência de que eles podem de facto realizar de forma robusta os estados quânticos que complementam as propriedades do grafeno.
1) Estados magnéticos
Ferromagenetismo foi detectado recentemente em MoS2 multicamada irradiado por protões. Usando um modelo de tightbinding
para o MoS2 desenvolvido recentemente por membros da equipa  iremos explorar a robustez e possível controlo por
efeito de campo dos momentos magnéticos induzidos por lacunas na monocamada de MoS2 e outros calcogénios de metais de
transição. Este modelo de tight-binding é ideal para tratamentos de campo médio e tratamentos perturbativos, e também para
estudos de Monte Carlo quântico. A equipa tem reconhecida experiência no tratamento de lacunas em grafeno e grafite e no
papel destas em magnetismo.

2) Estados supercondutores
Supercondutividade foi detectada recentemente em MoS2 multicamada fortemente dopado e um hiato compatível com um
estado supercondutor foi observado em siliceno. Para o MoS2, membros da equipa identificaram recentemente a
interacção electrão-electrão numa monocamada de MoS2 como a possível origem da supercondutividade na banda de condução. O regime com dopagem por buracos, contudo, ainda não foi explorado. O acoplamento spin-órbita no MoS2 levanta a degenerescência de spin na banda de valência. Supercondutividade topológica neste regime não está descartada e será investigada. Para o siliceno estudaremos o papel das interacções electrão-electrão e acoplamento spin-orbita no estado supercondutor observado, e iremos explorar possíveis estados supercondutores na bicamada de siliceno.
3) Estados topológicos
Devido ao acoplamento spin-órbita reforçado o siliceno é candidato a realizar o estado topológico de spin Hall quântico inicialmente proposto para o grafeno . Adicionalmente, e à semelhança da bicamada de grafeno, um campo eléctrico perpendicular induz um isolador trivial, fazendo do sistema um isolador topológico que se pode ajustar externamente. Com base em trabalho recente de membros da equipa  iremos explorar a robustez deste estado na presença de interacções electrão-electrão. Será explorada também a possibilidade de estabilizar estados topologicamente não triviais na multicamada de siliceno e calcogénios de metais de transição. Será também explorada a realização de estados topológicos de Hall quântico nestes sistemas por aplicação de um campo magnético perpendicular. Com base na experiência da equipa, iremos estudar as propriedades ópticas destes materiais quer na fase trivial quer em fases topológicas.