(Phys.org) —El grafeno se ha convertido en un material maravilloso para todo uso, alentando a ejércitos de investigadores a explorar nuevas posibilidades para esta red bidimensional de carbono puro. Pero una nueva investigación en el MIT ha encontrado un potencial adicional para el material al descubrir características inesperadas que aparecen en algunas condiciones extremas, características que podrían hacer que el grafeno sea adecuado para usos exóticos como la computación cuántica.

La investigación se publica esta semana en la revista Naturaleza , en un trabajo de los profesores Pablo Jarillo-Herrero y Ray Ashoori, postdoctorados Andrea Young y Ben Hunt, estudiante de posgrado Javier Sanchez-Yamaguchi, y otros tres. Bajo un campo magnético extremadamente poderoso y a una temperatura extremadamente baja, los investigadores encontraron, el grafeno puede filtrar eficazmente los electrones de acuerdo con la dirección de su espín, algo que no se puede hacer con ningún sistema electrónico convencional.

En condiciones típicas, láminas de grafeno se comportan como conductores normales:aplicar un voltaje, y la corriente fluye a través de la escama bidimensional. Si enciende un campo magnético perpendicular a la escama de grafeno, sin embargo, el comportamiento cambia:la corriente fluye solo a lo largo del borde, mientras que la mayor parte permanece aislante. Es más, esta corriente fluye solo en una dirección:en sentido horario o antihorario, dependiendo de la orientación del campo magnético, en un fenómeno conocido como efecto Hall cuántico.

En el nuevo trabajo Los investigadores encontraron que si aplicaban un segundo campo magnético potente, esta vez en el mismo plano que la escama de grafeno, el comportamiento del material cambia una vez más:los electrones pueden moverse alrededor del borde conductor en cualquier dirección, con electrones que tienen un tipo de giro moviéndose en el sentido de las agujas del reloj, mientras que aquellos con el giro opuesto se mueven en sentido antihorario.

"Creamos un tipo de conductor inusual a lo largo del borde, "dice Young, becario postdoctoral Pappalardo en el departamento de física del MIT y autor principal del artículo, "Prácticamente un cable unidimensional". La segregación de electrones según el espín es "una característica normal de los aislantes topológicos, " él dice, "pero el grafeno normalmente no es un aislante topológico. Estamos obteniendo el mismo efecto en un sistema de materiales muy diferente".

Y lo que es más, variando el campo magnético, "podemos activar y desactivar estos estados de borde, "Dice Young. Esa capacidad de cambio significa que, en principio, "podemos hacer circuitos y transistores con estos, " él dice, que no se ha realizado antes en aisladores topológicos convencionales.

Hay otro beneficio de esta selectividad de giro, Young dice:Previene un fenómeno llamado "retrodispersión, "que podría interrumpir el movimiento de los electrones. Como resultado, las imperfecciones que normalmente arruinarían las propiedades electrónicas del material tienen poco efecto. "Incluso si los bordes están 'sucios, 'los electrones se transmiten a lo largo de este borde casi perfectamente, " él dice.

Jarillo-Herrero, el Profesor Asociado de Física de Mitsui Career Development en el MIT, dice que se predijo el comportamiento observado en estos copos de grafeno, pero nunca antes visto. Este trabajo, él dice, es la primera vez que se demuestra tal comportamiento selectivo de espín en una sola hoja de grafeno, y también la primera vez que alguien ha demostrado la capacidad de "hacer la transición entre estos dos regímenes".

En última instancia, eso podría conducir a una forma novedosa de hacer una especie de computadora cuántica, Jarillo-Herrero dice, algo que los investigadores han intentado hacer, sin éxito, por décadas. Pero debido a las condiciones extremas requeridas, Young dice:"Esta sería una máquina muy especializada" utilizada solo para tareas computacionales de alta prioridad, como en los laboratorios nacionales.

Ashoori, un profesor de física, señala que los estados de borde recién descubiertos tienen una serie de propiedades sorprendentes. Por ejemplo, aunque el oro es un conductor eléctrico excepcionalmente bueno, cuando se agregan toques de oro al borde de las escamas de grafeno, hacen que aumente la resistencia eléctrica. Las pinceladas de oro permiten que los electrones se vuelvan a dispersar en el estado de viaje opuesto mezclando los espines de los electrones; cuanto más oro se agrega, cuanto más sube la resistencia.

Esta investigación representa "una nueva dirección" en aisladores topológicos, Young dice. "No sabemos realmente a qué podría conducir, pero abre nuestro pensamiento sobre el tipo de dispositivos eléctricos que podemos fabricar ".

Los experimentos requirieron el uso de un campo magnético con una fuerza de 35 tesla, "aproximadamente 10 veces más que en una máquina de resonancia magnética, ", Dice Jarillo-Herrero, y una temperatura de solo 0,3 grados Celsius por encima del cero absoluto. Sin embargo, el equipo ya está buscando formas de observar un efecto similar en campos magnéticos de solo un tesla, similar a un fuerte imán de cocina, ya temperaturas más altas.

Philip Kim, un profesor de física en la Universidad de Columbia que no participó en este trabajo, dice, "Los autores aquí han demostrado maravillosamente una excelente cuantificación de la conductancia, "como predice la teoría. Agrega, "Este es un trabajo muy agradable que puede conectar la física del aislante topológico con la física del grafeno con interacciones. Este trabajo es un buen ejemplo de cómo los dos temas más populares en la física de la materia condensada están conectados entre sí".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.