Hecho de una sola capa de átomos de carbono unidos en un patrón de panal hexagonal, La estructura del grafeno es simple y aparentemente delicada. Desde su descubrimiento en 2004, Los científicos han descubierto que el grafeno es, de hecho, excepcionalmente fuerte. Y aunque el grafeno no es un metal, Conduce electricidad a velocidades ultra altas, mejor que la mayoría de los metales.

En 2018, Los científicos del MIT dirigidos por Pablo Jarillo-Herrero y Yuan Cao descubrieron que cuando dos hojas de grafeno se apilan juntas en un ángulo "mágico" ligeramente desplazado, la nueva estructura de grafeno "retorcida" puede convertirse en un aislante, Bloqueando completamente la electricidad para que no fluya a través del material, o paradójicamente, un superconductor, capaz de dejar que los electrones vuelen sin resistencia. Fue un descubrimiento monumental que ayudó a lanzar un nuevo campo conocido como "twistronics, "el estudio del comportamiento electrónico en grafeno retorcido y otros materiales.

Ahora, el equipo del MIT informa sobre sus últimos avances en grafeno twistronics, en dos artículos publicados esta semana en la revista Naturaleza .

En el primer estudio, los investigadores, junto con colaboradores del Instituto de Ciencias Weizmann, han imaginado y mapeado una estructura de grafeno retorcida completa por primera vez, con una resolución lo suficientemente fina como para ver variaciones muy leves en el ángulo de torsión local en toda la estructura.

Los resultados revelaron regiones dentro de la estructura donde el ángulo entre las capas de grafeno se desvió ligeramente del desplazamiento promedio de 1,1 grados.

El equipo detectó estas variaciones a una resolución angular ultra alta de 0,002 grados. Eso es equivalente a poder ver el ángulo de una manzana contra el horizonte desde una milla de distancia.

Descubrieron que las estructuras con un rango más estrecho de variaciones de ángulo tenían propiedades exóticas más pronunciadas, como aislamiento y superconductividad, versus estructuras con una gama más amplia de ángulos de torsión.

"Esta es la primera vez que se ha trazado un mapa de un dispositivo completo para ver cuál es el ángulo de giro en una región determinada del dispositivo, "dice Jarillo-Herrero, el profesor de física Cecil e Ida Green en el MIT. "Y vemos que puedes tener un poco de variación y aún mostrar superconductividad y otras físicas exóticas, pero no puede ser demasiado. Ahora hemos caracterizado cuánta variación de torsión puede tener, y cuál es el efecto de degradación de tener demasiado ".

En el segundo estudio, el equipo informa que creó una nueva estructura de grafeno retorcida sin dos, pero cuatro capas de grafeno. Observaron que la nueva estructura de ángulo mágico de cuatro capas es más sensible a ciertos campos eléctricos y magnéticos en comparación con su predecesora de dos capas. Esto sugiere que los investigadores pueden estudiar de manera más fácil y controlada las propiedades exóticas del grafeno de ángulo mágico en sistemas de cuatro capas.

"Estos dos estudios tienen como objetivo comprender mejor el desconcertante comportamiento físico de los dispositivos twistronics de ángulo mágico, "dice Cao, estudiante de posgrado en el MIT. "Una vez entendido, Los físicos creen que estos dispositivos podrían ayudar a diseñar y diseñar una nueva generación de superconductores de alta temperatura. dispositivos topológicos para el procesamiento de información cuántica, y tecnologías de bajo consumo energético ".

Como arrugas en una envoltura de plástico

Desde que Jarillo-Herrero y su grupo descubrieron por primera vez el grafeno de ángulo mágico, otros han aprovechado la oportunidad de observar y medir sus propiedades. Varios grupos han imaginado estructuras de ángulos mágicos, utilizando microscopía de túnel de barrido, o STM, una técnica que escanea una superficie a nivel atómico. Sin embargo, Los investigadores solo han podido escanear pequeños parches de grafeno de ángulo mágico, abarcando como máximo unos pocos cientos de nanómetros cuadrados, utilizando este enfoque.

"Repasar una estructura completa a escala de micrones para observar millones de átomos es algo para lo que STM no es más adecuado, "Dice Jarillo-Herrero." En principio se podría hacer, pero tomaría una enorme cantidad de tiempo ".

Entonces, el grupo consultó con investigadores del Instituto Weizmann para la Ciencia, que habían desarrollado una técnica de escaneo que llaman "escaneo nano-CALAMAR, "donde SQUID significa Dispositivo de interferencia cuántica superconductora. Los SQUID convencionales se asemejan a un pequeño anillo bisecado, cuyas dos mitades están hechas de material superconductor y unidas por dos uniones. Fit around the tip of a device similar to an STM, a SQUID can measure a sample's magnetic field flowing through the ring at a microscopic scale. The Weizmann Institute researchers scaled down the SQUID design to sense magnetic fields at the nanoscale.

When magic-angle graphene is placed in a small magnetic field, it generates persistent currents across the structure, due to the formation of what are known as "Landau levels." These Landau levels, and hence the persistent currents, are very sensitive to the local twist angle, por ejemplo, resulting in a magnetic field with a different magnitude, depending on the precise value of the local twist angle. De este modo, the nano-SQUID technique can detect regions with tiny offsets from 1.1 degrees.

"It turned out to be an amazing technique that can pick up miniscule angle variations of 0.002 degrees away from 1.1 degrees, " Jarillo-Herrero says. "This was very good for mapping magic-angle graphene."

The group used the technique to map two magic-angle structures:one with a narrow range of twist variations, and another with a broader range.

"We placed one sheet of graphene on top of another, similar to placing plastic wrap on top of plastic wrap, " Jarillo-Herrero says. "You would expect there would be wrinkles, and regions where the two sheets would be a bit twisted, some less twisted, just as we see in graphene."

They found that the structure with a narrower range of twist variations had more pronounced properties of exotic physics, como la superconductividad, compared with the structure with more twist variations.

"Now that we can directly see these local twist variations, it might be interesting to study how to engineer variations in twist angles to achieve different quantum phases in a device, "Dice Cao.

Tunable physics

Over the past two years, researchers have experimented with different configurations of graphene and other materials to see whether twisting them at certain angles would bring out exotic physical behavior. Jarillo-Herrero's group wondered whether the fascinating physics of magic-angle graphene would hold up if they expanded the structure, to offset not two, but four graphene layers.

Since graphene's discovery nearly 15 years ago, a huge amount of information has been revealed about its properties, not just as a single sheet, but also stacked and aligned in multiple layers—a configuration that is similar to what you find in graphite, or pencil lead.

"Bilayer graphene—two layers at a 0-degree angle from each-other—is a system whose properties we understand well, " Jarillo-Herrero says. "Theoretical calculations have shown that in a bilayer-on-top-of-bilayer structure, the range of angles over which interesting physics would happen is larger. So this type of structure might be more forgiving in terms of making devices."

Partly inspired by this theoretical possibility, the researchers fabricated a new magic-angle structure, offsetting one graphene bilayer with another bilayer by 1.1 degrees. They then connected the new "double-layer" twisted structure to a battery, applied a voltage, and measured the current that flowed through the device as they placed the structure under various conditions, such as a magnetic field, and a perpendicular electric field.

Just like magic-angle structures made from two layers of graphene, the new four-layered structure showed an exotic insulating behavior. But uniquely, the researchers were able to tune this insulating property up and down with an electric field—something that's not possible with two-layered magic-angle graphene.

"This system is highly tunable, meaning we have a lot of control, which will allow us to study things we cannot understand with monolayer magic-angle graphene, "Dice Cao.

"It's still very early in the field, " Jarillo-Herrero says. "For the moment, the physics community is still fascinated just by the phenomena of it. People fantasize about what type of devices we could make but realize it's still too early and we have so much yet to learn about these systems."

This story is republished courtesy of MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), a popular site that covers news about MIT research, innovación y docencia.