Al hacer muestras de materiales para perseguir sus propios objetivos de investigación, Los científicos del Laboratorio Ames del Departamento de Energía de EE. UU. descubrieron que un subproducto no deseado de sus experimentos era una sustancia de muy alta calidad y difícil de obtener que buscaban los científicos que investigaban materiales en capas.

Con un nombre de proyecto como "Estados complejos, Fenómenos emergentes y superconductividad en compuestos intermetálicos y similares a los metales "uno siente inmediatamente que el equipo de científicos detrás de ese título podría tener un don para lo extraño, raro, y nunca antes visto. El grupo Ames Lab investiga compuestos metálicos y semimetálicos que tienen propiedades magnéticas, superconductor, u otras propiedades que están diseñadas para sondear los misterios fundamentales de cómo se pueden formar estados correlacionados o emergentes y, además, podría ser útil en futuras aplicaciones tecnológicas, como la creación de energía, transmisión y almacenamiento, así como computación cuántica. Pero antes de que puedan investigar lo extraño, raro, y nunca antes visto, tienen que hacerlo, por lo que el equipo también tiene décadas de experiencia en la creación de esos materiales.

Uno de los ejes de la investigación del grupo es MgB ₂ , un material superconductor difícil de producir. Tan difícil, De hecho, que la herramienta utilizada para hacerlo se llama "La Bestia". Acechando en el sótano del Spedding Hall del Laboratorio Ames, la Bestia es un quisquilloso, poderoso, y un horno gigante de alta presión que sobrecalienta y super-aplasta pequeñas cantidades de ingredientes difíciles de combinar en nuevos compuestos.

Mingyu Xu, un estudiante graduado, ha estado estudiando MgB ₂ , y está interesado en crecer puro y dopado, muestras monocristalinas del material para comprender mejor sus propiedades superconductoras. Él y Raquel Ribeiro, profesor asociado en el Departamento de Física y Astronomía de la Universidad Estatal de Iowa, trabajar juntos para cargar cubos de cerámica especialmente diseñados (básicamente ceniza volcánica) con los diminutos crisoles (tazas) que se calentarán a temperaturas tan altas como 2000 C °, y sujeto a presiones 30, 000 veces más alta que la presión atmosférica normal.

"Tenemos que ser muy precisos, muy particular sobre cómo preparamos y cargamos las muestras, "dijo Ribeiro." Si nos equivocamos, si alguna pieza está desalineada, se rompe, " ella dijo, explicando el implacable proceso de elaboración del material. Tan exigente es la Bestia, Xu y Ribeiro hacen un seguimiento de sus errores, como una forma de documentar cómo mejorar sus métodos de preparación y su tasa de éxito.

Cuando tienen éxito, El enfoque de Xu está en el MgB ₂ , literalmente. Las imágenes de su microscopio se enfocan nítidamente en el destello de cristales de color dorado pálido que confirman que la Bestia ha preparado un éxito, muestra de alta calidad. Pero las imágenes también capturan algo más:el codiciado MgB ₂ está rodeado por un nido de traslúcido, material escamoso que es un subproducto del proceso, llamado nitruro de boro hexagonal, o hBN.

"Durante años, intentamos minimizar esta irritante segunda fase, "dijo Paul Canfield, Físico de Ames Lab, Profesor Distinguido y Profesor Robert Allen Wright de Física y Astronomía en la Universidad Estatal de Iowa, e investigador principal del proyecto. "Nuestra búsqueda era MgB ₂ . No queríamos esas otras cosas y traté de optimizar nuestro proceso para reducir la cantidad ".

En sus colaboraciones con físicos de otras instituciones, sin embargo, se enteró de que su "segunda fase irritante" era en realidad un material aislante muy buscado y difícil de obtener para los científicos que investigaban el grafeno. el semimetal en capas 2D que se descubrió por primera vez en 2010, y se estudia por sus fascinantes e inusuales propiedades de transporte de electrones.

"Imagina que descubres el sándwich, y es facil conseguir el jamon, pero el pan es difícil de conseguir. El pan blanco es aburrido en sí mismo, pero si lo tienes puedes hacer tu sándwich, "dijo Canfield, "hBN es el pan para hacer ese sándwich". Las capas de hBN aislante separan el grafeno y otros materiales electrónicos y magnéticos novedosos para crear nuevas heteroestructuras; sándwiches de nueva física con propiedades que, en última instancia, pueden reemplazar a los transistores.

Repentinamente, El grupo de Canfield se encontró a sí mismos como panaderos de hBN para los esfuerzos de elaboración de sándwiches 2D de otros científicos:un ajetreo científico, Si tu quieres. Xu y Ribeiro han ajustado su sistemática operando la Bestia para optimizar tanto la producción de MgB ₂ , y su deseable subproducto. Al hacerlo, Ames se ha convertido en una de las pocas fuentes mundiales de hBN, desempeñando un papel clave en múltiples publicaciones de alto perfil. Ames Laboratory ha suministrado hBN al MIT, Rutgers, Princeton, Cornell, Stanford, Lawrence Livermore, y otras instituciones. La investigación resultante ha aparecido en Comunicaciones de la naturaleza , Naturaleza , y Ciencias .

"Es realmente gratificante que tengamos un Laboratorio Nacional del Departamento de Energía, no solo persiguiendo sus propios objetivos de investigación, pero también desempeñando un papel esencial para permitir descubrimientos físicos clave en otros laboratorios y en otras instituciones, "dijo Canfield.