Desde el descubrimiento del grafeno en 2004, Los científicos han buscado formas de poner este talento, material bidimensional atómicamente delgado para trabajar. Más delgado que una sola hebra de ADN pero 200 veces más fuerte que el acero, el grafeno es un excelente conductor de electricidad y calor, y puede adaptarse a cualquier número de formas, de una hoja ultrafina 2-D, a un circuito electrónico.

El año pasado, un equipo de investigadores dirigido por Feng Wang, un científico de la facultad en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y un profesor de física en UC Berkeley, desarrolló un dispositivo de grafeno multitarea que cambia de un superconductor que conduce la electricidad de manera eficiente, a un aislante que resiste el flujo de corriente eléctrica, y de nuevo a un superconductor.

Ahora, como se informó hoy en la revista Naturaleza , los investigadores han aprovechado el talento de su sistema de grafeno para hacer malabarismos no solo con dos propiedades, pero tres:superconductor, aislante, y un tipo de magnetismo llamado ferromagnetismo. El dispositivo multitarea podría hacer posibles nuevos experimentos de física, como la investigación en la búsqueda de un circuito eléctrico para una mayor rapidez, Electrónica de próxima generación como tecnologías de computación cuántica.

"Hasta aquí, materiales que muestran simultáneamente superconductores, aislante, y las propiedades magnéticas han sido muy raras. Y la mayoría de la gente creía que sería difícil inducir el magnetismo en el grafeno, porque normalmente no es magnético. Nuestro sistema de grafeno es el primero en combinar las tres propiedades en una sola muestra, "dijo Guorui Chen, investigador postdoctoral en el Grupo de nanoóptica ultrarrápida de Wang en UC Berkeley, y el autor principal del estudio.

Usando electricidad para activar el potencial oculto del grafeno

El grafeno tiene mucho potencial en el mundo de la electrónica. Su estructura atómicamente delgada, combinado con su robusta conductividad térmica y electrónica, "podría ofrecer una ventaja única en el desarrollo de dispositivos electrónicos y de almacenamiento de memoria de próxima generación, "dijo Chen, quien también trabajó como investigador postdoctoral en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab en el momento del estudio.

El problema es que los materiales magnéticos que se utilizan hoy en día en la electrónica están hechos de metales ferromagnéticos, como aleaciones de hierro o cobalto. Materiales ferromagnéticos, como el imán de barra común, tienen un polo norte y un polo sur. Cuando se utilizan materiales ferromagnéticos para almacenar datos en el disco duro de una computadora, estos polos apuntan hacia arriba o hacia abajo, que representan ceros y unos, llamados bits.

Grafeno sin embargo, no está hecho de un metal magnético, está hecho de carbono.

Así que a los científicos se les ocurrió una solución creativa.

Diseñaron un dispositivo ultradelgado, solo 1 nanómetro de espesor, con tres capas de grafeno atómicamente delgado. Cuando se intercala entre capas bidimensionales de nitruro de boro, las capas de grafeno, descritas como grafeno de tres capas en el estudio, forman un patrón repetitivo llamado superrejilla muaré.

Al aplicar voltajes eléctricos a través de las puertas del dispositivo de grafeno, la fuerza de la electricidad empujó a los electrones en el dispositivo a circular en la misma dirección, como pequeños coches corriendo por una pista. Esto generó un impulso contundente que transformó el dispositivo de grafeno en un sistema ferromagnético.

Más mediciones revelaron un asombroso nuevo conjunto de propiedades:el interior del sistema de grafeno no solo se había vuelto magnético sino también aislante; y a pesar del magnetismo, sus bordes exteriores se transformaron en canales de corriente electrónica que se mueven sin resistencia. Tales propiedades caracterizan a una rara clase de aisladores conocidos como aislantes Chern, dijeron los investigadores.

Aún más sorprendente, Los cálculos del coautor Ya-Hui Zhang del Instituto de Tecnología de Massachusetts revelaron que el dispositivo de grafeno no tiene solo uno, pero dos bordes conductores, convirtiéndolo en el primer "aislante Chern de alto orden observado, "una consecuencia de las fuertes interacciones electrón-electrón en el grafeno de tres capas.

Los científicos han estado en la búsqueda de los aislantes Chern en un campo de investigación conocido como topología, que investiga estados exóticos de la materia. Los aisladores Chern ofrecen nuevas formas potenciales de manipular información en una computadora cuántica, donde los datos se almacenan en bits cuánticos, o qubits. Un qubit puede representar uno, un cero o un estado en el que es un uno y un cero al mismo tiempo.

"Nuestro descubrimiento demuestra que el grafeno es una plataforma ideal para estudiar diferentes físicas, que van desde la física de una sola partícula, a la superconductividad, y ahora física topológica para estudiar las fases cuánticas de la materia en materiales 2-D, ", Dijo Chen." Es emocionante que ahora podamos explorar nueva física en un dispositivo diminuto de sólo una millonésima parte de un milímetro de espesor ".

Los investigadores esperan realizar más experimentos con su dispositivo de grafeno para comprender mejor cómo surgió el aislante / imán de Chern. y la mecánica detrás de sus propiedades inusuales.