Cristales de Wigner propuestos para grafeno bicapa de ángulo mágico. En la Figura A, el criterio para observar esta estructura de celosía no se satisface experimentalmente, resultando en transporte metálico cuando un solo electrón ocupa una celda muaré. Las figuras B y C muestran el estado de aislamiento, explicando la observación experimental cuando hay 2 o 3 electrones en una celda de muaré. Crédito:Philip Phillips, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign
Recientemente, un equipo de científicos dirigido por Pablo Jarillo-Herrero en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) creó un gran revuelo en el campo de la física de la materia condensada cuando demostraron que dos hojas de grafeno se retorcían en ángulos específicos, lo que se denominó grafeno de "ángulo mágico". —Muestra dos fases emergentes de materia que no se observan en hojas individuales de grafeno. El grafeno es una red en forma de panal de átomos de carbono; es esencialmente una capa de grafito de un átomo de espesor, la oscuridad, material escamoso en lápices.
En dos artículos publicados en línea en marzo de 2018 y que aparecen en el 5 de abril, Número 2018 de la revista Naturaleza , el equipo informó que el grafeno bicapa retorcido (tBLG) exhibe una fase superconductora no convencional, similar a lo que se ve en los cupratos superconductores de alta temperatura. Esta fase se obtiene dopando (inyectando electrones en) un estado aislante, que el grupo MIT interpretó como un ejemplo de aislamiento Mott. Un equipo conjunto de científicos de UCSB y la Universidad de Columbia ha reproducido los notables resultados del MIT. El descubrimiento es prometedor para el eventual desarrollo de superconductores a temperatura ambiente y una serie de otras aplicaciones igualmente innovadoras.
Investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han demostrado recientemente que el comportamiento aislante informado por el equipo del MIT se ha atribuido erróneamente. Profesor Philip Phillips, un destacado experto en la física de los aisladores Mott, dice que una revisión cuidadosa de los datos experimentales del MIT por parte de su equipo reveló que el comportamiento aislante del grafeno de "ángulo mágico" no es el aislamiento de Mott, pero algo aún más profundo:un cristal Wigner.
"La gente ha estado buscando ejemplos claros de cristales de Wigner desde que Wigner los predijo por primera vez en la década de 1930, Phillips afirma. "Creo que esto es incluso más emocionante que si fuera un aislante Mott".
El profesor de física de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, Philip Phillips (derecha) y el estudiante graduado Bikash Padhi posan en el Instituto de Física de la Materia Condensada en el campus de Urbana. Crédito:Siv Schwink, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign
Autor principal del estudio de la U de I, estudiante de posgrado Bikash Padhi, explica, "Cuando una hoja de grafeno se tuerce sobre otra, Los patrones de muaré surgen como resultado del desplazamiento en la estructura de panal. Al inyectar electrones artificialmente en estas hojas, el grupo del MIT obtuvo nuevas fases de la materia que pueden entenderse estudiando estos electrones adicionales en el lecho de este patrón muaré. Al aumentar la densidad de electrones, el grupo del MIT observó un estado de aislamiento cuando 2 y 3 electrones residen en una celda unitaria muaré. Argumentaron que este comportamiento es un ejemplo de la física de Mott ".
¿Por qué no puede ser la física de Mott?
Phillips explica, "Los aisladores Mott son una clase de materiales que deberían ser conductores si no se tienen en cuenta las interacciones electrónicas, pero una vez que se tiene en cuenta, son aislantes en su lugar. Hay dos razones principales por las que sospechamos que el tBLG no forma un aislante de Mott:la transición de metal-aislante observada ofrece solo una escala de energía característica, mientras que los aisladores Mott convencionales se describen mediante dos escalas. Próximo, en el informe del MIT, en contraste con lo que se espera de un sistema Mott, no había aislante cuando solo había 1 electrón por celda unitaria. Esto es fundamentalmente incompatible con Mottness ".
La figura adjunta muestra los estados cristalinos que explican estos datos.
Zorbing, rodando y rebotando en una bola transparente inflada, se ha vuelto popular en todo el mundo. Bikash Pahdi, un estudiante graduado de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign en física teórica de materia condensada, compara la cristalización de Wigner con la hinchazón de zorbs en un campo cerrado, donde los pasajeros del zorb son electrones y el propio zorb es la medida de la repulsión de cada electrón hacia otros electrones. Crédito:Nombre de usuario:Rodw / Wikimedia Commons / Public Domain
¿Qué es un cristal Wigner?
Para entender los cristales de Wigner, Padhi ofrece esta analogía:"Imagina un grupo de personas, cada una dentro de un orbe grande y corriendo en una habitación cerrada. Si este orbe es pequeño, pueden moverse libremente, pero a medida que crece, uno puede chocar con más frecuencia que antes y eventualmente puede haber un punto en el que todos están atascados en sus posiciones, ya que cualquier pequeño movimiento será inmediatamente impedido por la siguiente persona. Esto es básicamente lo que es un cristal. Las personas aquí son electrones, y el orbe es una medida de su repulsión ".
Phillips le da crédito a Padhi por proporcionar el ímpetu para el estudio.
Estos resultados fueron publicados previamente en línea en la revista. Nano letras en el artículo, "Grafeno bicapa retorcido dopado cerca de los ángulos mágicos:proximidad a la cristalización de Wigner, no al aislamiento de Mott, "el 5 de septiembre 2018, con la redacción oficial final que se incluirá en la edición de octubre de 2018 de la revista.
Esta investigación fue financiada por el Center for Emergent Superconductivity, un Centro de Investigación de Fronteras Energéticas financiado por el Departamento de Energía, y por la National Science Foundation. Las conclusiones presentadas son las de los investigadores y no necesariamente las de las agencias financiadoras.
