El grafeno, el material mágico favorito de todos, siempre parece tener sorpresas. Los físicos del MIT han descubierto ahora otro estado electrónico completamente nuevo escondido en este pequeño y notable material, al que le han dado un nombre curioso: "valle de hierro".
El grafeno es esencialmente una hojuela ultrafina de grafito normal; tan delgada, de hecho, que solo tiene un átomo de espesor. Pero a pesar de sus humildes comienzos, el grafeno es súper fuerte, superconductor, flexible y tiene el potencial de revolucionar todo, desde la electrónica hasta la ropa y la ingeniería aeroespacial. Cuando empiezas a apilar láminas de grafeno, e incluso a girarlas en ángulos específicos, se hacen evidentes otras habilidades extraordinarias, como el magnetismo o la súper permeabilidad al agua.
En una nueva investigación, el equipo de investigación del MIT descubrió otro material: el "comportamiento multiferroico", que es muy raro en el mundo de los materiales. Un material ferroico es aquel cuyas partículas tienen un comportamiento coordinado; por ejemplo, todos los electrones de un imán apuntarán sus espines en la misma dirección incluso en ausencia de un campo magnético externo. Los multiferroicos son materiales que muestran más de un comportamiento coordinado, de modo que el magnetismo apunta en una dirección y las cargas apuntan en otra.
Los investigadores calcularon que, en circunstancias muy especiales, el grafeno debería convertirse en un material multiferroico. En teoría, la multiferroicidad sólo se produce cuando se apilan cinco capas de grafeno una encima de la otra, con cada capa ligeramente desplazada de modo que el conjunto tridimensional forme un rombo.
En el grafeno de cinco capas, los electrones se encuentran en un entorno de red cristalina donde se mueven muy lentamente, lo que les permite interactuar eficazmente con otros electrones. Aquí es cuando los efectos relacionados con los electrones comienzan a dominar y pueden comenzar a coordinarse en ciertos órdenes de ferrita preferidos.
A continuación, el equipo se propuso confirmar la teoría en la práctica, raspando escamas de grafeno de bloques de grafito y examinándolas con potentes microscopios para encontrar algunas que naturalmente tuvieran la forma de rombo ideal. Luego aislaron varios tipos de grafeno que encontraron y los estudiaron a temperaturas justo por encima del cero absoluto, donde otros efectos se debilitan de modo que solo brilla el grafeno que buscaban.
Efectivamente, el equipo descubrió que los electrones en estas escamas especiales respondían uniformemente a los campos eléctricos en una dirección y a los campos magnéticos en la otra, confirmando el comportamiento multiferroico. Pero incluso estos comportamientos individuales son inusuales: el magnetismo surge de la coordinación de los movimientos orbitales de los electrones, no de sus espines. El comportamiento electrónico resulta de que los electrones entran preferentemente en un "valle" (o estado de energía más bajo), en lugar de promediar dos valles. Por ello, el equipo de investigación denomina a este peculiar estado electrónico "propiedad del valle de hierro".
"Sabíamos que algo interesante estaba sucediendo en esta estructura, pero no sabíamos qué era hasta que lo probamos", dijo Zhengguang Lu, coprimer autor del estudio. "Esta es la primera vez que vemos la electrónica de Iron Valley, y la primera vez que vemos la electrónica de Iron Valley coexistiendo con ferroimanes no convencionales".
Los investigadores dicen que este comportamiento peculiar podría eventualmente aprovecharse para duplicar efectivamente la capacidad de almacenamiento de datos de un chip.
La investigación fue publicada en la revista Nature.