Los científicos pueden tener metas ambiciosas:curar enfermedades, explorando mundos distantes, revoluciones de energías limpias. En la investigación de física y materiales, Algunos de estos ambiciosos objetivos son hacer objetos de sonido ordinario con propiedades extraordinarias:cables que puedan transportar energía sin pérdida de energía, o computadoras cuánticas que pueden realizar cálculos complejos que las computadoras actuales no pueden realizar. Y los bancos de trabajo emergentes para los experimentos que nos llevan gradualmente hacia estos objetivos son materiales bidimensionales:láminas de material que tienen una sola capa de átomos de espesor.

En un artículo publicado el 14 de septiembre en la revista Física de la naturaleza , un equipo dirigido por la Universidad de Washington informa que pilas de grafeno cuidadosamente construidas, una forma bidimensional de carbono, pueden exhibir propiedades electrónicas altamente correlacionadas. El equipo también encontró evidencia de que este tipo de comportamiento colectivo probablemente se relaciona con la aparición de estados magnéticos exóticos.

"Hemos creado una configuración experimental que nos permite manipular electrones en las capas de grafeno de varias formas nuevas e interesantes, "dijo el coautor principal Matthew Yankowitz, un profesor asistente de la UW de física y ciencia e ingeniería de materiales, así como investigador de la facultad en el Instituto de Energía Limpia de la Universidad de Washington.

Yankowitz dirigió el equipo con el coautor principal Xiaodong Xu, profesor de física y de ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad de Washington. Xu también es investigador de la facultad del Instituto de Ciencias e Ingeniería Molecular de la Universidad de Washington, el Instituto de UW para Sistemas de Nano-Ingeniería y el Instituto de Energía Limpia de la UW.

Dado que los materiales 2-D tienen un espesor de una capa de átomos, los enlaces entre los átomos solo se forman en dos dimensiones y las partículas como los electrones solo pueden moverse como piezas en un juego de mesa:de lado a lado, de adelante hacia atrás o en diagonal, pero no hacia arriba ni hacia abajo. Estas restricciones pueden imbuir materiales 2-D con propiedades de las que carecen sus contrapartes 3-D, y los científicos han estado probando hojas bidimensionales de diferentes materiales para caracterizar y comprender estas cualidades potencialmente útiles.

Pero durante la última década, Científicos como Yankowitz también han comenzado a colocar capas de materiales 2-D, como una pila de panqueques, y han descubierto que, si se apilan y rotan en una configuración particular y se exponen a temperaturas extremadamente bajas, estas capas pueden exhibir propiedades exóticas e inesperadas.

El equipo de la Universidad de Washington trabajó con bloques de construcción de grafeno bicapa:dos hojas de grafeno en capas juntas de forma natural. Apilaron una bicapa encima de otra —para un total de cuatro capas de grafeno— y las retorcieron para que la disposición de los átomos de carbono entre las dos bicapas quedara ligeramente desalineada. Investigaciones anteriores han demostrado que la introducción de estos pequeños ángulos de torsión entre capas individuales o bicapas de grafeno puede tener grandes consecuencias para el comportamiento de sus electrones. Con configuraciones específicas del campo eléctrico y distribución de carga a través de las bicapas apiladas, los electrones muestran comportamientos altamente correlacionados. En otras palabras, todos comienzan a hacer lo mismo, o muestran las mismas propiedades, al mismo tiempo.

"En estos casos, ya no tiene sentido describir lo que hace un electrón individual, pero lo que hacen todos los electrones a la vez, "dijo Yankowitz.

"Es como tener una habitación llena de gente en la que un cambio en el comportamiento de una persona hará que todos reaccionen de manera similar, "dijo el autor principal Minhao He, estudiante de doctorado en física de la UW y ex becario del Clean Energy Institute.

La mecánica cuántica subyace a estas propiedades correlacionadas, y dado que las bicapas de grafeno apiladas tienen una densidad de más de 10 ^ 12, o un billón, electrones por centímetro cuadrado, muchos electrones se comportan colectivamente.

El equipo trató de desentrañar algunos de los misterios de los estados correlacionados en su configuración experimental. A temperaturas de unos pocos grados por encima del cero absoluto, el equipo descubrió que podían "sintonizar" el sistema en un tipo de estado de aislamiento correlacionado, en el que no conduciría ninguna carga eléctrica. Cerca de estos estados aislantes, el equipo encontró focos de estados altamente conductores con características que se asemejan a la superconductividad.

Aunque otros equipos han informado recientemente sobre estos estados, el origen de estas características sigue siendo un misterio. Pero el trabajo del equipo de la Universidad de Washington ha encontrado evidencia para una posible explicación. Descubrieron que estos estados parecían estar impulsados ​​por una propiedad mecánica cuántica de los electrones llamada "espín", un tipo de momento angular. En regiones cercanas a los estados aislantes correlacionados, encontraron evidencia de que todos los espines de los electrones se alinean espontáneamente. Esto puede indicar que, cerca de las regiones que muestran estados de aislamiento correlacionados, está surgiendo una forma de ferromagnetismo, no superconductividad. Pero se necesitarían experimentos adicionales para verificar esto.

Estos descubrimientos son el último ejemplo de las muchas sorpresas que nos deparan al realizar experimentos con materiales 2-D.

"Gran parte de lo que estamos haciendo en esta línea de investigación es intentar crear, comprender y controlar los estados electrónicos emergentes, que pueden ser correlacionados o topológicos, o poseer ambas propiedades, ", dijo Xu." Podría haber mucho que podamos hacer con estos estados en el futuro:una forma de computación cuántica, un nuevo dispositivo de recolección de energía, o algunos tipos nuevos de sensores, por ejemplo, y francamente no lo sabremos hasta que lo intentemos ".

Mientras tanto, esperar pilas, bicapas y ángulos de torsión para seguir haciendo olas.