Un material compuesto por dos capas de carbono de un átomo de espesor ha llamado la atención de los físicos de todo el mundo por sus intrigantes y potencialmente explotables propiedades conductoras.

Dr. Fan Zhang, profesor asistente de física en la Facultad de Ciencias Naturales y Matemáticas de la Universidad de Texas en Dallas, y el estudiante de doctorado en física Qiyue Wang publicó un artículo en junio con el grupo del Dr. Fengnian Xia en la Universidad de Yale en Fotónica de la naturaleza que describe cómo la capacidad del grafeno bicapa retorcido para conducir la corriente eléctrica cambia en respuesta a la luz del infrarrojo medio.

De una a dos capas

El grafeno es una capa única de átomos de carbono dispuestos en un patrón de panal plano, donde cada hexágono está formado por seis átomos de carbono en sus vértices. Desde el primer aislamiento del grafeno en 2004, Sus propiedades únicas han sido estudiadas intensamente por científicos para su uso potencial en computadoras avanzadas. materiales y dispositivos.

Si se apilan dos hojas de grafeno una encima de la otra, y una capa se gira para que las capas estén ligeramente desalineadas, la configuración física resultante, llamado grafeno bicapa retorcido, produce propiedades electrónicas que difieren significativamente de las exhibidas por una sola capa o por dos capas alineadas.

"El grafeno ha sido de interés durante unos 15 años, ", Dijo Zhang." Es interesante estudiar una sola capa, pero si tenemos dos capas, su interacción debería producir una física mucho más rica e interesante. Por eso queremos estudiar los sistemas de grafeno bicapa ".

Surge un nuevo campo

Cuando las capas de grafeno están desalineadas, surge un nuevo diseño periódico en la malla, llamado patrón muaré. El patrón de muaré también es un hexágono, pero puede estar compuesto por más de 10, 000 átomos de carbono.

"El ángulo en el que las dos capas de grafeno están desalineadas (el ángulo de torsión) es de vital importancia para las propiedades electrónicas del material, "Dijo Wang." Cuanto menor sea el ángulo de giro, cuanto mayor sea la periodicidad del muaré ".

Los efectos inusuales de ángulos de torsión específicos sobre el comportamiento de los electrones fueron propuestos por primera vez en un artículo de 2011 del Dr. Allan MacDonald, profesor de física en UT Austin, y Dr. Rafi Bistritzer. Zhang fue testigo del nacimiento de este campo como estudiante de doctorado en el grupo de MacDonald.

"En ese tiempo, otros realmente no prestaron atención a la teoría, pero ahora se puede decir que se ha convertido en el tema más candente de la física, "Dijo Zhang.

En esa investigación de 2011, MacDonald y Bistritzer predijeron que la energía cinética de los electrones puede desaparecer en una bicapa de grafeno desalineada por el llamado "ángulo mágico" de 1,1 grados. En 2018, investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts demostraron esta teoría, encontrar que la compensación de dos capas de grafeno en 1,1 grados producía un superconductor bidimensional, un material que conduce corriente eléctrica sin resistencia y sin pérdida de energía.

En un artículo de 2019 en Science Advances, Zhang y Wang, junto con el grupo de la Dra. Jeanie Lau en la Universidad Estatal de Ohio, mostró que cuando se compensa en 0,93 grados, El grafeno bicapa retorcido exhibe estados superconductores y aislantes, ampliando así el ángulo mágico de manera significativa.

"En nuestro trabajo anterior, vimos superconductividad y aislamiento. Eso es lo que hace que el estudio del grafeno bicapa retorcido sea un campo tan caliente:la superconductividad. El hecho de que pueda manipular carbono puro para convertirlo en superconductor es asombroso y sin precedentes. "Dijo Wang.

Nuevos hallazgos de UT Dallas

En su investigación más reciente en Nature Photonics, Zhang y sus colaboradores en Yale investigaron si el grafeno bicapa retorcido interactúa con la luz del infrarrojo medio y cómo, que los humanos no pueden ver pero pueden detectar como calor.

"Las interacciones entre la luz y la materia son útiles en muchos dispositivos, por ejemplo, convertir la luz solar en energía eléctrica, "Dijo Wang." Casi todos los objetos emiten luz infrarroja, incluyendo personas, y esta luz se puede detectar con dispositivos ".

Zhang es un físico teórico, por lo que Wang y él se propusieron determinar cómo la luz del infrarrojo medio podría afectar la conductancia de los electrones en el grafeno bicapa retorcido. Su trabajo consistió en calcular la absorción de luz basándose en la estructura de bandas del patrón de muaré, un concepto que determina cómo se mueven los electrones en un material de forma mecánica cuántica.

"El grafeno ha sido de interés durante unos 15 años. Es interesante estudiar una sola capa, pero si tenemos dos capas, su interacción debería producir una física mucho más rica e interesante. Por eso queremos estudiar los sistemas de grafeno bicapa, " él dice.

"Hay formas estándar de calcular la estructura de la banda y la absorción de luz en un cristal normal, pero este es un cristal artificial, así que tuvimos que idear un nuevo método, "Dijo Wang. Usando los recursos del Centro de Computación Avanzada de Texas, una instalación de supercomputadora en el campus de UT Austin, Wang calculó la estructura de la banda y mostró cómo el material absorbe la luz.

El grupo de Yale fabricó dispositivos y realizó experimentos que mostraban que la fotorrespuesta del infrarrojo medio —el aumento de la conductancia debido al brillo de la luz— era inusualmente fuerte y mayor en el ángulo de torsión de 1.8 grados. La fuerte respuesta fotográfica desapareció para un ángulo de giro de menos de 0,5 grados.

"Nuestros resultados teóricos no solo coincidieron bien con los hallazgos experimentales, pero también apuntó a un mecanismo que está fundamentalmente conectado con el período del patrón muaré, que a su vez está conectado al ángulo de torsión entre las dos capas de grafeno, "Dijo Zhang.

Próximo paso

"El ángulo de torsión es claramente muy importante para determinar las propiedades del grafeno bicapa retorcido, "Añadió Zhang." Surge la pregunta:¿Podemos aplicar esto para ajustar otros materiales bidimensionales para obtener características sin precedentes? También, ¿Podemos combinar la fotorrespuesta y la superconductividad en el grafeno bicapa retorcido? Por ejemplo, ¿Puede el hacer brillar una luz inducir o de alguna manera modular la superconductividad? Eso será muy interesante de estudiar ".

"Este nuevo avance permitirá potencialmente una nueva clase de detectores infrarrojos basados ​​en grafeno con alta sensibilidad, "dijo el Dr. Joe Qiu, gerente de programa de electrónica de estado sólido y electromagnetismo en la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. (ARO), un elemento del Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU. "Estos nuevos detectores tendrán un impacto potencial en aplicaciones como la visión nocturna, que es de vital importancia para el Ejército de los Estados Unidos ".