Aaron Sharpe sostiene un dispositivo de grafeno bicapa retorcido terminado fabricado en la sala limpia de Stanford Nano Shared Facilities. Crédito:Ker Than
A veces, los mejores descubrimientos ocurren cuando los científicos menos lo esperan. Al intentar replicar el hallazgo de otro equipo, Los físicos de Stanford se toparon recientemente con una nueva forma de magnetismo, predicho pero nunca visto antes, que se genera cuando dos celosías de carbono en forma de panal se apilan cuidadosamente y se giran en un ángulo especial.
Los autores sugieren el magnetismo, llamado ferromagnetismo orbital, podría resultar útil para determinadas aplicaciones, como la computación cuántica. El grupo describe su hallazgo en la edición del 25 de julio de la revista. Ciencias .
"No teníamos como objetivo el magnetismo. Descubrimos lo que puede ser lo más emocionante de mi carrera hasta la fecha a través de una exploración parcialmente dirigida y parcialmente accidental, "dijo el líder del estudio David Goldhaber-Gordon, profesor de física en la Facultad de Humanidades y Ciencias de Stanford. "Nuestro descubrimiento muestra que las cosas más interesantes a veces resultan ser sorpresas".
Los investigadores de Stanford hicieron inadvertidamente su descubrimiento mientras intentaban reproducir un hallazgo que estaba enviando ondas de choque a la comunidad física. A principios de 2018, El grupo de Pablo Jarillo-Herrero en el MIT anunció que habían convencido a una pila de dos láminas de átomos de carbono sutilmente desalineadas (grafeno bicapa retorcido) para que condujera la electricidad sin resistencia. una propiedad conocida como superconductividad.
El descubrimiento fue una sorprendente confirmación de una predicción de casi una década de que las hojas de grafeno giradas en un ángulo muy particular deberían exhibir fenómenos interesantes.
Cuando se apilan y se retuercen, el grafeno forma una superrejilla con una interferencia repetida, o muaré, patrón. "Es como cuando tocas dos tonos musicales que tienen frecuencias ligeramente diferentes, "Goldhaber-Gordon dijo." Obtendrá un latido entre los dos que está relacionado con la diferencia entre sus frecuencias. Eso es similar a lo que se obtiene si se apilan dos celosías una encima de la otra y se retuercen para que no queden perfectamente alineadas ".
Los físicos teorizaron que la superrejilla particular que se forma cuando el grafeno gira 1,1 grados hace que los estados de energía normalmente variados de los electrones en el material colapsen. creando lo que ellos llaman una banda plana donde la velocidad a la que se mueven los electrones cae casi a cero. Así ralentizado, los movimientos de cualquier electrón se vuelven altamente dependientes de los de otros en su vecindad. Estas interacciones se encuentran en el corazón de muchos estados cuánticos exóticos de la materia.
"Pensé que el descubrimiento de la superconductividad en este sistema fue asombroso. Era más de lo que nadie tenía derecho a esperar, ", Dijo Goldhaber-Gordon." Pero también sentí que había mucho más que explorar y muchas más preguntas que responder, así que nos propusimos intentar reproducir la obra y luego ver cómo podríamos construir sobre ella ".
Micrografía óptica de la estructura apilada ensamblada, que consta de dos láminas de grafeno intercaladas entre dos capas protectoras de nitruro de boro hexagonal. Crédito:Aaron Sharpe
Una serie de eventos afortunados
Al intentar duplicar los resultados del equipo del MIT, Goldhaber-Gordon y su grupo introdujeron dos cambios aparentemente sin importancia.
Primero, mientras encapsula las celosías de carbono en forma de panal en capas delgadas de nitruro de boro hexagonal, los investigadores giraron inadvertidamente una de las capas protectoras para que estuvieran casi alineadas con el grafeno bicapa retorcido.
"Resulta que si casi alineas la red de nitruro de boro con la red del grafeno, cambia drásticamente las propiedades eléctricas del grafeno bicapa retorcido, "dijo el coautor del estudio, Aaron Sharpe, estudiante de posgrado en el laboratorio de Goldhaber-Gordon.
En segundo lugar, el grupo sobrepasó intencionalmente el ángulo de rotación entre las dos hojas de grafeno. En lugar de 1,1 grados, apuntaban a 1,17 grados porque otros habían demostrado recientemente que las láminas de grafeno retorcidas tienden a asentarse en ángulos más pequeños durante el proceso de fabricación.
"Pensamos que si apuntamos a 1,17 grados, luego volverá a 1.1 grados, y seremos felices "Goldhaber-Gordon dijo." En cambio, tenemos 1,2 grados ".
Una señal anómala
Las consecuencias de estos pequeños cambios no se hicieron evidentes hasta que los investigadores de Stanford comenzaron a probar las propiedades de su muestra de grafeno retorcido. En particular, querían estudiar cómo cambiaban sus propiedades magnéticas a medida que su banda plana, esa colección de estados donde los electrones se ralentizaban hasta casi cero, se llenaba o vaciaba de electrones.
De izquierda a derecha, Aaron Sharpe, David Goldhaber-Gordon y Eli Fox usan su escenario de transferencia construido en casa para ensamblar heteroestructuras de grafeno. Crédito:Ker Than
Mientras bombeaba electrones a una muestra que se había enfriado cerca del cero absoluto, Sharpe detectó un gran voltaje eléctrico perpendicular al flujo de la corriente cuando la banda plana estaba llena en tres cuartos. Conocido como voltaje Hall, tal voltaje normalmente solo aparece en presencia de un campo magnético externo, pero en este caso, el voltaje persistió incluso después de que se apagó el campo magnético externo.
Este efecto Hall anómalo solo podría explicarse si la muestra de grafeno generara su propio campo magnético interno. Es más, este campo magnético no podría ser el resultado de alinear el estado de giro ascendente o descendente de los electrones, como suele ser el caso de los materiales magnéticos, sino que deben haber surgido de sus movimientos orbitales coordinados.
"Hasta donde sabemos, este es el primer ejemplo conocido de ferromagnetismo orbital en un material, "Dijo Goldhaber-Gordon." Si el magnetismo se debiera a la polarización del espín, no esperaría ver un efecto Hall. No solo vemos un efecto Hall, pero un gran efecto Hall ".
Fuerza en la debilidad
Los investigadores estiman que el campo magnético cerca de la superficie de su muestra de grafeno retorcido es aproximadamente un millón de veces más débil que el de un imán de refrigerador convencional. pero esta debilidad podría ser una fortaleza en ciertos escenarios, como la construcción de memoria para computadoras cuánticas.
"Nuestro grafeno bicapa magnético se puede encender con muy poca potencia y se puede leer electrónicamente con mucha facilidad, "Dijo Goldhaber-Gordon." El hecho de que no haya un gran campo magnético que se extienda hacia afuera desde el material significa que puede empaquetar bits magnéticos muy juntos sin preocuparse por la interferencia ".
El laboratorio de Goldhaber-Gordon aún no ha terminado de explorar el grafeno bicapa retorcido. El grupo planea hacer más muestras utilizando técnicas de fabricación recientemente mejoradas para investigar más a fondo el magnetismo orbital.
