Una hoja de grafeno bicapa retorcido en ángulo mágico puede albergar nuevas fases topológicas de la materia, un estudio ha revelado.

Grafeno retorcido de ángulo mágico, descubierto por primera vez en 2018, está hecho de dos hojas de grafeno (una forma de carbono que consta de una sola capa de átomos en un patrón de celosía en forma de panal), superpuestos uno encima del otro, con una hoja torcida exactamente a 1,05 grados con respecto a la otra. La bicapa resultante tiene propiedades electrónicas inusuales:por ejemplo, se puede convertir en un aislante o un superconductor dependiendo de cuántos electrones se agreguen.

El descubrimiento lanzó un nuevo campo de investigación sobre el grafeno retorcido de ángulo mágico, conocido como "twistronics". En Caltech, Stevan Nadj-Perge, profesor asistente de física aplicada y ciencia de los materiales, ha sido uno de los investigadores que lideraron la carga:en 2019, él y sus colegas obtuvieron imágenes directamente de las propiedades electrónicas del grafeno retorcido en ángulo mágico a escalas de longitud atómica; y en 2020, demostraron que la superconductividad en el grafeno bicapa retorcido puede existir lejos del ángulo mágico cuando se acopla a un semiconductor bidimensional.

Ahora, Nadj-Perge y sus colegas han descubierto que el grafeno bicapa retorcido en ángulo mágico también tiene fases cuánticas topológicas inesperadas. Un artículo sobre el trabajo aparece en la edición del 18 de enero de Naturaleza .

¿Qué son las fases cuánticas topológicas y por qué son importantes? Tradicionalmente, los materiales se clasifican como aislantes, que impiden el flujo de electrones y, por lo tanto, no conducen la electricidad; rieles, que conducen bien la electricidad; y semiconductores, que conducen la electricidad entre metales y aislantes.

Sin embargo, cuando se aplican fuertes campos magnéticos a los diversos tipos de materiales, el comportamiento de los electrones a través de ellos se modifica, produciendo otros estados posibles, o fases cuánticas topológicas. Por ejemplo, bajo fuertes campos magnéticos, la mayor parte de un material puede convertirse en aislante mientras que las superficies (o bordes, en el caso de un material bidimensional) son altamente conductivos. Teóricamente Las fases cuánticas topológicas podrían tener muchas aplicaciones, incluso en el procesamiento de información cuántica.

En el nuevo trabajo Nadj-Perge y sus colegas utilizaron microscopía de túnel de barrido para obtener imágenes directamente del grafeno bicapa retorcido con resolución atómica, y descubrió que las fuertes interacciones entre los electrones en el grafeno bicapa trenzado permiten la aparición de estas fases topológicas sin la necesidad de un campo magnético fuerte. También estudiaron el grafeno retorcido en ángulos alternativos, pero descubrió que las nuevas fases topológicas solo estaban presentes en el ángulo mágico.

"El descubrimiento de fases topológicas en el grafeno bicapa retorcido en ángulo mágico abre otro capítulo sobre este material asombroso y nos acerca a la comprensión de sus propiedades electrónicas". dice Nadj-Perge, autor correspondiente del artículo. "Más importante, sin embargo, nuestros hallazgos también apuntan hacia nuevas formas de diseñar fases topológicas que se pueden seguir en el futuro ". Estos materiales podrían, En teoria, tiene muchas aplicaciones; por ejemplo, ciertas excitaciones de las fases topológicas podrían usarse para realizar el procesamiento de información en futuras computadoras cuánticas.

Su artículo se titula "Fases topológicas impulsadas por correlación en grafeno bicapa retorcido de ángulo mágico".