Un equipo de investigación internacional dirigido por la Universidad de Manchester ha revelado un nanomaterial que refleja el efecto de "ángulo mágico" que se encontró originalmente en una estructura compleja hecha por el hombre conocida como grafeno bicapa retorcido, un área clave de estudio en física en los últimos años.

La nueva investigación muestra que la topología especial del grafito romboédrico proporciona efectivamente un "giro" incorporado y, por lo tanto, ofrece un medio alternativo para estudiar efectos potencialmente cambiantes como la superconductividad. "Es una alternativa interesante a los estudios muy populares del grafeno de ángulo mágico", dijo el profesor Sir Andre Geim, pionero del grafeno. coautor del estudio.

El equipo, dirigido por Artem Mishchenko, El profesor de física de la materia condensada en la Universidad de Manchester publicó sus hallazgos en la revista Naturaleza el 12 de agosto de 2020.

"El grafito romboédrico puede ayudar a comprender mejor los materiales en los que las correlaciones electrónicas fuertes son importantes, como los compuestos de fermiones pesados ​​y los superconductores de alta temperatura", dijo el profesor Mishchenko.

Un paso anterior en la investigación de materiales bidimensionales fue el curioso comportamiento de que apilar una hoja de grafeno una encima de la otra y girarla en un 'ángulo mágico' cambió las propiedades de la bicapa. convirtiéndolo en un superconductor.

El profesor Mishchenko y sus colegas han observado ahora la aparición de fuertes interacciones electrón-electrón en una forma romboédrica débilmente estable de grafito, la forma en la que las capas de grafeno se apilan de manera ligeramente diferente en comparación con la forma hexagonal estable.

Las interacciones en el grafeno bicapa retorcido son excepcionalmente sensibles al ángulo de torsión. Pequeñas desviaciones de aproximadamente 0,1 grados del ángulo mágico exacto suprimen fuertemente las interacciones. Es extremadamente difícil fabricar dispositivos con la precisión requerida y, especialmente, encontrar los suficientemente uniformes para estudiar la excitante física involucrada. Los hallazgos recientemente publicados sobre el grafito romboédrico ahora han abierto una ruta alternativa para fabricar dispositivos superconductores con precisión.

Grafito, un material de carbono formado por capas de grafeno apiladas, Tiene dos formas estables:hexagonal y romboédrica. El primero es más estable, y, por lo tanto, ha sido ampliamente estudiado, mientras que el segundo lo es menos.

Para comprender mejor el nuevo resultado, Es importante recordar que las capas de grafeno se apilan de diferentes formas en estas dos formas de grafito. El grafito hexagonal (la forma de carbono que se encuentra en la mina de un lápiz) está compuesto por capas de grafeno apiladas ordenadamente una encima de la otra. La forma romboédrica metaestable tiene un orden de apilamiento ligeramente diferente, y esta leve diferencia conduce a un cambio drástico en su espectro electrónico.

Estudios teóricos anteriores han señalado la existencia de todo tipo de física de muchos cuerpos en los estados superficiales del grafito romboédrico, incluido el ordenamiento magnético de alta temperatura y la superconductividad. Estas predicciones no se pudieron verificar, sin embargo, ya que hasta ahora las mediciones de transporte de electrones en el material estaban completamente ausentes.

El equipo de Manchester ha estado estudiando películas de grafito hexagonal durante varios años y ha desarrollado tecnologías avanzadas para producir muestras de alta calidad. Una de sus técnicas consiste en encapsular las películas con un aislante atómicamente plano, nitruro de boro hexagonal (hBN), que sirve para preservar la alta calidad electrónica en las heteroestructuras de hBN / grafito hexagonal / hBN resultantes. En sus nuevos experimentos sobre grafito romboédrico, los investigadores modificaron su tecnología para preservar el frágil orden de apilamiento de esta forma menos estable de grafito.

Los investigadores tomaron imágenes de sus muestras, que contenía hasta 50 capas de grafeno, utilizando espectroscopía Raman para confirmar que el orden de apilamiento en el material permaneció intacto y que era de alta calidad. Luego midieron las propiedades de transporte electrónico de sus muestras de la manera tradicional:registrando la resistencia del material a medida que cambiaban la temperatura y la fuerza de un campo magnético que se le aplicaba.

La brecha de energía también se puede abrir en los estados de superficie del grafito romboédrico aplicando un campo eléctrico, explica el profesor Mishchenko:"La apertura de la brecha de estado de superficie, que fue predicho teóricamente, es también una confirmación independiente de la naturaleza romboédrica de las muestras, ya que tal fenómeno está prohibido en el grafito hexagonal ".

En grafito romboédrico de menos de 4 nm, una banda prohibida está presente incluso sin aplicar un campo eléctrico externo. Los investigadores dicen que aún no están seguros de la naturaleza exacta de esta apertura espontánea de la brecha (que ocurre en la "neutralidad de carga", el punto en el que se equilibran las densidades de electrones y huecos), pero están ocupados trabajando para responder a esta pregunta.

"De nuestros experimentos en el régimen de Hall cuántico, vemos que la brecha es de naturaleza Hall de espín cuántico, pero no sabemos si la brecha espontánea que se abre en la neutralidad de carga es del mismo origen, "agrega el profesor Mishchenko." En nuestro caso, esta apertura de la brecha estuvo acompañada por un comportamiento histerético de la resistencia del material en función de los campos eléctricos o magnéticos aplicados. Esta histéresis (en la que el cambio de resistencia va por detrás de los campos aplicados) implica que hay diferentes fases electrónicas con huecos separados en dominios, y estos son típicos de materiales fuertemente correlacionados ".

Una mayor investigación del grafito romboédrico podría arrojar más luz sobre el origen de los fenómenos de muchos cuerpos en materiales fuertemente correlacionados, como los compuestos de fermiones pesados ​​y los superconductores de alta temperatura. por nombrar sólo dos ejemplos.