Electrones (verde) en una rebanada del material sándwich retorcido. Las propiedades del material se pueden estudiar utilizando electrones (negro / rojo) excitados por luz láser. Crédito:ETH Zurich / Yuya Shimazaki
En un material compuesto por dos finas capas de cristal ligeramente retorcidas entre sí, Los investigadores de ETH han estudiado el comportamiento de electrones que interactúan fuertemente. Haciéndolo, encontraron una serie de propiedades sorprendentes.
Muchas tecnologías modernas se basan en materiales especiales, como los semiconductores que son importantes para las computadoras, dentro del cual los electrones pueden moverse con mayor o menor libertad. Exactamente qué tan libres están esos electrones está determinado por sus propiedades cuánticas y la estructura cristalina del material. La mayoría de las veces se mueven independientemente unos de otros. Bajo ciertas condiciones, sin embargo, las interacciones fuertes entre los electrones pueden dar lugar a fenómenos particulares. Superconductores en el que los electrones se emparejan para conducir corriente eléctrica sin resistencia, son un ejemplo bien conocido.
En el Instituto de Electrónica Cuántica de Zúrich, Ataç Imamoğlu, profesor de ETH, investiga materiales con electrones que interactúan fuertemente. Quiere comprender mejor el comportamiento de los electrones en esos materiales y busca propiedades inesperadas que puedan ser interesantes para aplicaciones futuras. En un material "retorcido", él y sus colaboradores han hecho ahora algunos descubrimientos sorprendentes con respecto al comportamiento de los electrones, como informan en la revista científica Naturaleza .
Patrón de moiré en un cristal
Para crear interacciones fuertes entre electrones de forma controlada, El grupo de investigación de Imamoğlu utilizó rebanadas delgadas como una oblea hechas de capas de un cristal de diselenuro de molibdeno de solo un átomo de espesor. Estos cortes también se conocen como materiales bidimensionales, ya que los electrones en ellos solo pueden moverse libremente en un plano. Esa característica por sí sola ya trae consigo una serie de propiedades sorprendentes como las observadas en el grafeno, que también pertenece a la clase de materiales bidimensionales.
Las cosas se ponen aún más interesantes sin embargo, cuando dos de estas rebanadas se colocan una encima de la otra con la dirección del cristal ligeramente torcida. Esto conduce a un efecto conocido por la televisión:si alguien lleva una corbata o un vestido de tela de cuadros o rayas, A veces aparecen patrones extraños en la pantalla. Estos también se conocen como patrones muaré.
Algo similar ocurre con los materiales de Imamoğlu. El giro entre las dos rebanadas crea una especie de red de cristal muaré que equivale a un cristal ficticio con átomos que están más separados de lo habitual. Tal cristal tiene una influencia mucho más débil sobre el movimiento de los electrones, lo que significa que las interacciones entre los electrones se vuelven más importantes en comparación.
El efecto muaré con dos celosías colocadas una encima de la otra. El ligero giro entre las celosías da como resultado un patrón muaré más grueso con puntos de celosía distantes (regiones claras y oscuras). Crédito:ETH Zurich / Yuya Shimazaki
Propiedades sorprendentes
"Pensar que más es mejor, Además, insertamos una capa delgada de un material diferente entre las rodajas de diselenuro de molibdeno, "dice Yuya Shimazaki, posdoctorado líder en el grupo de Imamoğlu. Esa rodaja de nitruro de boro asegura que, aunque las dos rebanadas retorcidas están muy cerca una de la otra, los electrones no pueden hacer un túnel de ida y vuelta entre ellos. Al aplicar un voltaje eléctrico al material, uno puede controlar exactamente cuántos electrones están presentes en su interior. Finalmente, para averiguar cómo se mueven los electrones dentro de este material sándwich, los investigadores lo iluminaron con luz láser, excitando así los electrones.
"Nuestro material nos permite estudiar los electrones con medios ópticos, "Explica Imamoğlu." Esa es una gran ventaja sobre otros materiales 2-D como el grafeno ". De las señales de luz emitidas por los electrones excitados, Se pueden deducir muchas propiedades desconcertantes de los electrones. Lo que más sorprendió a los físicos fue el comportamiento de su material cuando contenía tantos electrones como sitios de celosía en los patrones muaré de las dos rebanadas.
En ese caso, los llamados aisladores Mott indican:en el que exactamente un electrón ocupa un sitio de red, apareció en ambas rebanadas. Ese estado era bastante peculiar ya que los estados del aislador de Mott se estabilizaban entre sí, de tal manera que ni siquiera los campos eléctricos externos fuertes podrían moverlos y, por lo tanto, no fluyó ninguna corriente. "Es la primera vez que se observa un comportamiento de este tipo, "dice Imamoğlu.
Material ideal para futuras investigaciones
El nuevo material allana el camino para una serie de interesantes investigaciones adicionales. Es ideal para experimentos controlados con electrones que interactúan fuertemente. Los investigadores pueden cambiar las propiedades del material y la fuerza de las interacciones a través de la capa de nitruro de boro y el ángulo entre las rodajas de diselenuro de molibdeno. Esto les permite estudiar procesos físicos complejos que son difíciles de realizar en otros materiales.
