Desde el descubrimiento del grafeno hace más de 15 años, los investigadores han estado en una carrera global para desbloquear sus propiedades únicas. El grafeno, una hoja de carbono de un átomo de espesor dispuesta en una red hexagonal, no solo es el más fuerte, el material más delgado conocido por el hombre, también es un excelente conductor de calor y electricidad.

Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Columbia y la Universidad de Washington ha descubierto que una variedad de estados electrónicos exóticos, incluyendo una forma rara de magnetismo, puede surgir en una estructura de grafeno de tres capas.

Los hallazgos aparecen en un artículo publicado el 12 de octubre en Física de la naturaleza .

El trabajo se inspiró en estudios recientes de monocapas retorcidas o bicapas retorcidas de grafeno, que comprende dos o cuatro hojas en total. Se descubrió que estos materiales albergan una serie de estados electrónicos inusuales impulsados ​​por fuertes interacciones entre electrones.

"Nos preguntamos qué pasaría si combináramos monocapas y bicapas de grafeno en un sistema retorcido de tres capas, "dijo Cory Dean, profesor de física en la Universidad de Columbia y uno de los autores principales del artículo. "Descubrimos que variar el número de capas de grafeno confiere a estos materiales compuestos algunas propiedades nuevas e interesantes que no se habían visto antes".

Además de Dean, El profesor asistente Matthew Yankowitz y el profesor Xiaodong Xu, tanto en los departamentos de física y ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad de Washington, son autores de alto nivel en el trabajo. Shaowen Chen, estudiante graduado de Columbia, y el estudiante de posgrado de la Universidad de Washington, Minhao. Son los coautores principales del artículo.

Para realizar su experimento, los investigadores apilaron una hoja monocapa de grafeno sobre una hoja bicapa y la retorcieron aproximadamente 1 grado. A temperaturas de unos pocos grados por encima del cero absoluto, el equipo observó una serie de estados aislantes, que no conducen electricidad, impulsados ​​por fuertes interacciones entre electrones. También encontraron que estos estados podrían controlarse aplicando un campo eléctrico a través de las láminas de grafeno.

"Aprendimos que la dirección de un campo eléctrico aplicado es muy importante, "dijo Yankowitz, quien también es un ex investigador postdoctoral en el grupo de Dean.

Cuando los investigadores apuntaron el campo eléctrico hacia la hoja de grafeno monocapa, el sistema se parecía al grafeno bicapa retorcido. Pero cuando cambiaron la dirección del campo eléctrico y lo apuntaron hacia la hoja de grafeno bicapa, imitaba el grafeno de doble bicapa retorcido, la estructura de cuatro capas.

El equipo también descubrió nuevos estados magnéticos en el sistema. A diferencia de los imanes convencionales, que son impulsados ​​por una propiedad de la mecánica cuántica de los electrones llamada "espín, "un movimiento de remolino colectivo de los electrones en la estructura de tres capas del equipo subyace al magnetismo, ellos observaron.

Esta forma de magnetismo fue descubierta recientemente por otros investigadores en varias estructuras de grafeno que descansan sobre cristales de nitruro de boro. El equipo ha demostrado ahora que también se puede observar en un sistema más simple construido completamente con grafeno.

"El carbono puro no es magnético, ", dijo Yankowitz." Sorprendentemente, podemos diseñar esta propiedad colocando nuestras tres láminas de grafeno en los ángulos de torsión correctos ".

Además del magnetismo, el estudio descubrió signos de topología en la estructura. Similar a atar diferentes tipos de nudos en una cuerda, las propiedades topológicas del material pueden conducir a nuevas formas de almacenamiento de información, que "puede ser una plataforma para la computación cuántica o nuevos tipos de aplicaciones de almacenamiento de datos energéticamente eficientes, "Dijo Xu.

Por ahora, están trabajando en experimentos para comprender mejor las propiedades fundamentales de los nuevos estados que descubrieron en esta plataforma. "Esto es solo el comienzo, "dijo Yankowitz.