Durante los últimos siete años, Javier Sánchez-Yamagishi ha construido varios cientos de sistemas de grafeno apilados a nanoescala para estudiar sus propiedades electrónicas. "Lo que me interesa mucho es que las propiedades de este sistema combinado dependen sensiblemente de la alineación relativa entre ellas, " él dice.

Sánchez-Yamagishi, quien recibió su doctorado en enero, es ahora un postdoctorado en el grupo del Profesor Asociado Pablo Jarillo-Herrero. Monta bocadillos de grafeno y nitruro de boro con varias orientaciones horizontales. "Los trucos que usamos eran hacer dispositivos más limpios, enfriarlos a bajas temperaturas y aplicarles campos magnéticos muy grandes, "dice Sánchez-Yamagishi, que realizó mediciones en el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético en Tallahassee, Florida. El laboratorio cuenta con el imán continuo más grande del mundo, 45 Tesla, que es aproximadamente 10, 000 veces la fuerza de un imán de nevera.

Sánchez-Yamagishi fue coautor principal de un artículo de 2014 en Naturaleza que mostró que tener un componente del campo magnético aplicado en el plano del grafeno obligaba a los electrones en el borde del grafeno a moverse en direcciones opuestas en función de sus espines. Los coautores principales fueron el postdoctorado Benjamin M. Hunt y la becaria Pappalardo Andrea Young, ambos del grupo del profesor de física del MIT Raymond C. Ashoori. El documento fue la culminación de dos años de trabajo, Dice Sánchez-Yamagishi.

"Estábamos tratando de darnos cuenta de algunos estados cuánticos interesantes en el grafeno. Se llama estado Hall de espín cuántico, "Sánchez-Yamagishi explica. Eso tendría aplicaciones en computación cuántica, un área de interés para el grupo porque Jarillo-Herrero es investigador en el Centro de Materiales Cuánticos Integrados, financiado por la Fundación Nacional de Ciencias.

Sánchez-Yamagishi también fue coautor de un artículo de Science de 2013 en el que Jarillo-Herrero, Ashoori, y los colaboradores demostraron que una cierta alineación de grafeno en capas y nitruro de boro hexagonal creó una banda prohibida única en el grafeno, que podría ser un precursor del desarrollo del material para transistores funcionales. Los coautores de Sánchez-Yamagishi volvieron a incluir a Young, ahora profesor asistente en la Universidad de California en Santa Bárbara, y caza, que se unirá a la facultad del departamento de física de Carnegie Mellon este otoño.

Mariposa de Hofstadter

Las capas de grafeno y nitruro de boro tienen átomos dispuestos en forma hexagonal, o de seis lados, patrón. Cuando la disposición de celosía de grafeno y capas de nitruro de boro hexagonales están estrechamente alineadas, y las muestras están expuestas a un gran campo magnético fuera del plano, exhiben niveles de energía electrónica que se llaman "mariposa de Hofstadter, "porque cuando se trazan en un gráfico se asemeja a una mariposa. Lo que entusiasma a los físicos es que esta mariposa es uno de los raros ejemplos de un patrón fractal en la física cuántica". Estas son físicas que sólo entran en juego porque los electrones son muy pequeñas y las hacemos muy frías. Entonces la física cuántica toma un papel y es muy diferente, sorprendentemente diferente, "Dice Sánchez-Yamagishi.

"Además del resultado de la mariposa de Hofstadter, los mismos dispositivos también fueron los primeros en mostrar una brecha en el grafeno. Jarillo-Herrero dice, "Lo que fue muy inesperado fue que mostramos que el grafeno, que suele comportarse muy bien, en las condiciones de ese experimento con un ángulo de rotación muy bajo entre el grafeno y el HBN, se convirtió en un aislante. No condujo en absoluto. Ese fue un comportamiento que fue inesperado y todavía lo es. Los teóricos todavía están tratando de entender por qué. A nivel cuantitativo, aún no se ha entendido. Entonces se entiende cualitativamente, pero no cuantitativamente ".

Descubrimiento afortunado

El peculiar comportamiento electrónico del grafeno proviene de su estructura molecular, que es como una red de átomos de carbono en forma de panal o alambre de gallina. Cuando estas estructuras de panal se apilan una encima de la otra, si están desalineados, crean un patrón llamado muaré, que varía con la rotación de las capas entre sí. "Lo que pasó fue que por accidente, obtuvimos estas muestras que mostraban esta física de Hofstadter. Entonces esa no era nuestra intención original, "Sánchez-Yamagishi explica." Para ver la física de Hofstadter, el grafeno tiene que estar muy alineado con el nitruro de boro hexagonal. Cuando está estrechamente alineado tienes una superrejilla muy grande, y luego la física se ve fuertemente afectada, y por eso pudimos observar esta física de Hofstadter, ", dice. Para decirlo de otra manera, él dice, "Cuando están desalineados, el muaré es muy pequeño, y cuando el muaré es pequeño, tiene muy poco efecto sobre la física del electrón. Pero cuando están alineados cuanto más están alineados, cuanto más grande es el muaré y más fuerte es el efecto sobre los electrones, y básicamente para ver este tipo de física de Hofstadter necesitas un gran muaré ".

Si bien esta estructura de panal existe en grafito, una forma familiar de carbono a granel, sus propiedades especiales solo se muestran cuando las capas de grafeno de uno a unos pocos átomos de espesor se separan del grafito. "El grafeno conduce la electricidad mejor que el grafito. Conduce mejor que la plata o el oro, "Dice Sánchez-Yamagishi.

Sánchez-Yamagishi construyó una máquina en el laboratorio que apila capas extremadamente delgadas de grafeno y materiales similares. Cuando dos capas de grafeno están desalineadas, se llaman grafeno bicapa retorcido. "En grafito, normalmente todas las capas están alineadas entre sí; los electrones se ralentizan, ", explica. Resulta que si dos capas de grafeno se apilan alineadas, los electrones que viajan dentro de una capa se ralentizan de la misma manera. Pero con grafeno, si las capas apiladas una encima de la otra están desalineadas, actúan como si una capa no sintiera realmente la otra capa. "Puedes ponerlos uno encima del otro, en realidad permanecen desacoplados entre sí, y todavía puede conducir electricidad básicamente tan bien como si fuera una sola hoja de grafeno, ", dice." Si están desalineados, entonces el electrón en una capa no se ve afectado por las otras capas y se desliza rápidamente ".

Mientras el giro o rotación fuera de alineación, puede mejorar el flujo de electrones a través de capas individuales, tiene el efecto opuesto sobre los electrones que se mueven entre capas. "A pesar de que están uno encima del otro, átomos separados, si los retuerces, entonces los electrones no pueden pasar de una capa a la otra por sí mismos. Necesitan ayuda de otros elementos del sistema. Para que puedas ponerlos uno encima del otro, en realidad, no están conectados eléctricamente. Está relacionado con este patrón de muaré. Es debido a la torsión entre las dos capas que las desacopla de esta manera, "Dice Sánchez-Yamagishi.

Curva de aprendizaje

Uno de los primeros estudiantes de posgrado en unirse al grupo de Jarillo-Herrero en 2008, Sánchez-Yamagishi, 28, dice que ha pasado de pasar meses inicialmente para hacer grafeno de buena calidad a ahora fabricar dispositivos de grafeno muy intrincados y combinarlos con otros materiales. Los contactos de oro envían corriente a través del grafeno para medir sus propiedades eléctricas. A menudo, Las formas de grafeno utilizadas en los dispositivos de prueba tienen formas irregulares, ya que así es como se desprenden del material de grafito natural. El grafito se frota sobre una hoja de silicona y se retira con una cinta especial para crear capas delgadas de grafeno. Maximizar la cantidad de grafeno que se puede usar para un dispositivo tiene prioridad sobre hacer que se vea bien, Dice Sánchez-Yamagishi. "Estamos tratando de llevar la tecnología al más alto nivel, así que confiamos en el final de la distribución aquí. Queremos llegar a ese final los que tienen un rendimiento anormalmente bueno, porque queremos demostrar la física, ", dice." Al final, eliminamos los que no son de alta calidad, y nos quedamos con los mejores ".

Los estudios se realizan a bajas temperaturas, alrededor de 4 kelvin, aunque algunos son incluso más fríos, medido en milikelvins. "Un gran enfoque de nuestro laboratorio es simplemente estudiar la electricidad en la forma de cómo se mueven los electrones y, para hacerlo, primero queremos enfriarla a bajas temperaturas donde todo lo que vemos es cómo se comporta el electrón por sí mismo principalmente, y luego podemos preocuparnos por complicar las cosas también, "Explica Sanchez-Yamagishi. También es mentor de los actuales estudiantes de posgrado Yuan Cao y Jason Luo.

En septiembre, Sánchez-Yamagishi comenzará una beca postdoctoral de dos años en el Centro de Óptica Cuántica de la Universidad de Harvard, donde trabajará en centros de vacantes de nitrógeno en diamantes con el investigador principal Mikhail Lukin. "Mi experiencia es electrónica en grafeno, entonces la idea es combinar electrones en grafeno con fotones en diamantes, ", dice. Espera eventualmente convertirse en profesor de física.

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.