Los investigadores del NIST que estudian capas retorcidas de grafeno han presentado una "regla cuántica" para estudiar las propiedades únicas del material. La lámina de carbono de un átomo de espesor conocida como grafeno tiene propiedades extraordinarias por derecho propio. Sin embargo, las cosas se vuelven aún más interesantes si apilas varias escamas de este material 2D. Cuando dos o más hojas de grafeno se apilan juntas y se desalinean (se tuercen en ángulo entre sí), adquieren una serie de propiedades extrañas.
La ilustración muestra dos capas de grafeno (dos bicapas) utilizadas por el equipo del NIST en experimentos para estudiar algunas de las propiedades exóticas de los materiales cuánticos muaré. El recuadro de la izquierda es una vista superior de dos secciones de grafeno bicapa, que muestra los patrones muaré que se forman cuando un grafeno bicapa se tuerce en un ángulo pequeño con respecto al otro grafeno bicapa. Fuente: B. Hayes/NIST
Dependiendo del ángulo de torsión, estos materiales, conocidos como materia cuántica molar, pueden generar repentinamente sus propios campos magnéticos, convertirse en superconductores con resistencia cero o, por el contrario, convertirse en perfectos aislantes.
Joseph A. Stroscio y sus colegas del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y una colaboración internacional han desarrollado una "regla cuántica" para medir y explorar las extrañas propiedades de estos materiales retorcidos. El trabajo también podría conducir a un nuevo estándar de resistencia miniaturizado que podría calibrar dispositivos electrónicos directamente en la fábrica, en lugar de enviarlos a un laboratorio de estándares externo.
Fereshte Ghahari, físico de la Universidad George Mason en Fairfax, Virginia, y coautor del estudio, creó un dispositivo de materia cuántica molar utilizando dos capas de grafeno de unas 20 micras de diámetro (llamada grafeno bicapa), retorcidas con respecto a las otras dos capas de grafeno. Gahari construyó el dispositivo utilizando instalaciones de nanofabricación en el Centro de Nanociencia y Tecnología del NIST.
Los investigadores del NIST, Marlou Slot y Yulia Maximenko, luego enfriaron el dispositivo de material retorcido al uno por ciento por encima del cero absoluto, reduciendo el movimiento aleatorio de los átomos y electrones y mejorando la capacidad de los electrones en el material para interactuar. Después de alcanzar temperaturas ultrabajas, estudiaron cómo cambiaban los niveles de energía de los electrones en la capa de grafeno cuando cambiaba la fuerza de un fuerte campo magnético externo. Medir y manipular los niveles de energía de los electrones es fundamental para diseñar y fabricar dispositivos semiconductores.
Esta vista ampliada de un punto en un material cuántico muaré muestra los niveles de energía de los electrones en forma de escalera (puntos rojos y azules a la derecha). El fondo de la escalera se asemeja a un gráfico de energía, lo que sugiere que los niveles de energía medidos pueden servir como una especie de regla cuántica para determinar las propiedades eléctricas y magnéticas de los materiales. Fuente: NIST/B. Hayes
Movimiento de electrones y niveles de energía.
Para medir los niveles de energía, el equipo utilizó un microscopio de efecto túnel de barrido versátil que Strisio diseñó y construyó en el NIST. Cuando los investigadores aplicaron un voltaje a la bicapa de grafeno en un campo magnético, el microscopio registró pequeñas corrientes eléctricas producidas por electrones que "hacen túneles" desde el material hasta la punta de la sonda del microscopio.
En un campo magnético, los electrones se mueven siguiendo trayectorias circulares. Normalmente, las órbitas circulares de los electrones en materiales sólidos tienen una relación especial con el campo magnético externo: debido a las propiedades cuánticas de los electrones, el área encerrada por cada órbita circular multiplicada por el campo magnético externo sólo puede obtener un conjunto fijo de valores discretos. Para mantener un producto fijo, si el campo magnético se reduce a la mitad, el área encerrada por la órbita del electrón debe duplicarse.
La diferencia de energía entre niveles de energía sucesivos que siguen esta regla, como las marcas de una regla, se puede utilizar para medir las propiedades electrónicas y magnéticas de un material. Cualquier ligera desviación de este patrón representa una nueva regla cuántica que refleja las propiedades magnéticas orbitales del material muaré cuántico específico que los investigadores están estudiando.
Descubrimiento e impacto
De hecho, cuando los investigadores del NIST variaron el campo magnético aplicado a una bicapa de grafeno muaré, encontraron evidencia de la nueva regla cuántica en funcionamiento. El área encerrada por la órbita circular del electrón multiplicada por el campo magnético externo ya no es igual a un valor fijo. En cambio, el producto de estos dos números se desplaza en una cantidad que depende de la magnetización del grafito bicapa.
Esta desviación se traduce en un conjunto diferente de marcas para los niveles de energía del electrón. Se espera que los hallazgos arrojen nueva luz sobre cómo los electrones confinados en láminas retorcidas de grafeno crean nuevas propiedades magnéticas.
"Utilizando la nueva regla cuántica para estudiar cómo cambian las órbitas circulares con los campos magnéticos, esperamos revelar las sutiles propiedades magnéticas de estos materiales cuánticos muaré", dijo Stricio.
Los electrones de los materiales molares cuánticos quedan atrapados por un potencial eléctrico que tiene forma de cartón de huevos; los electrones se concentran en los valles (estados de menor energía) del cartón de huevos. Fuente: S. Kelley/NIST
En los materiales cuánticos molares, los electrones tienen un rango de energías posibles (altas y bajas, con forma de cartón de huevos) que está determinado por el campo eléctrico del material. Los electrones se concentran en los estados o valles de baja energía del cartón. El físico teórico del NIST, Paul Haney, dijo que el gran espacio entre los valles en el grafeno de doble capa, que es mayor que el espacio entre los átomos en cualquier grafeno de una sola capa o grafeno multicapa sin torcer, es responsable de parte del magnetismo inusual que encontró el equipo.
Los investigadores, incluidos colegas de la Universidad de Maryland, College Park y el Joint Quantum Institute, un instituto de investigación colaborativo entre el NIST y la Universidad de Maryland, describen su trabajo en la revista Science.
Perspectivas de futuro y aplicaciones
Dado que las propiedades de los moles de materia cuántica se pueden lograr eligiendo ángulos de torsión específicos y el número de capas atómicas delgadas, se espera que las nuevas mediciones proporcionen una comprensión más profunda de cómo los científicos pueden adaptar y optimizar las propiedades magnéticas y electrónicas de los materiales cuánticos para satisfacer las necesidades de una amplia gama de aplicaciones en microelectrónica y campos relacionados. Por ejemplo, se sabe que los superconductores ultrafinos son detectores de fotón único muy sensibles, y los superconductores de muaré cuántico se encuentran entre los superconductores más delgados.
El equipo del NIST también está interesado en otra aplicación: en las condiciones adecuadas, los moles de materia cuántica podrían proporcionar un estándar nuevo y más fácil de usar para la resistencia eléctrica.
El estándar actual se basa en el valor de resistencia discreta de un material cuando los electrones en una capa bidimensional se someten a un fuerte campo magnético. Este fenómeno se llama efecto Hall cuántico y surge de los niveles de energía cuantificados de los electrones en órbitas circulares discutidos anteriormente. Se pueden utilizar valores de resistencia discretos para calibrar la resistencia en una variedad de dispositivos eléctricos. Sin embargo, debido a los potentes campos magnéticos necesarios, la calibración sólo se puede realizar en instalaciones de metrología como el NIST.
Si los investigadores pueden manipular la materia molar cuántica para que produzca magnetización neta sin un campo magnético externo, puede ser posible utilizarla para crear un estándar de resistencia nuevo, portátil y más preciso conocido como estándar de resistencia Hall cuántico anómalo, dijo Striscio. La calibración de equipos electrónicos se puede realizar en el sitio de fabricación, ahorrando millones de dólares.