Los materiales 2D han provocado un auge en la investigación de materiales. Ahora resulta que se producen efectos emocionantes cuando dos de estos materiales en capas se apilan y se retuercen ligeramente.

El descubrimiento del material grafeno, que consta de una sola capa de átomos de carbono, fue la señal de partida para una carrera mundial:hoy, se producen los llamados materiales 2D, hecho de diferentes tipos de átomos. Capas atómicamente delgadas que a menudo tienen propiedades materiales muy especiales que no se encuentran en los materiales más gruesos.

Ahora se agrega otro capítulo a este campo de investigación:si dos de esas capas 2D se apilan en el ángulo correcto, surgen aún más posibilidades nuevas. La forma en que interactúan los átomos de las dos capas crea intrincados patrones geométricos, y estos patrones tienen un impacto decisivo en las propiedades del material, como ha podido demostrar un equipo de investigación de TU Wien y la Universidad de Texas (Austin). Los fonones, las vibraciones reticulares de los átomos, están significativamente influenciados por el ángulo en el que las dos capas de material se colocan una encima de la otra. Por lo tanto, con pequeñas rotaciones de tal capa, se pueden cambiar significativamente las propiedades del material.

El efecto Moiré

La idea básica se puede probar en casa con dos hojas de mosquiteras o con cualquier otra malla regular que se pueda colocar una encima de la otra:si ambas cuadrículas son perfectamente congruentes una encima de la otra, Apenas se puede decir desde arriba si se trata de una o dos cuadrículas. La regularidad de la estructura no ha cambiado.

Pero si ahora gira una de las cuadrículas en un ángulo pequeño, hay lugares donde los puntos de cuadrícula de las mallas coinciden aproximadamente, y otros lugares donde no lo hacen. De esta manera, Surgen patrones interesantes, ese es el conocido efecto muaré.

"Puede hacer exactamente lo mismo con las redes atómicas de dos capas de material, ", dice el Dr. Lukas Linhart del Instituto de Física Teórica de TU Wien. Lo notable es que esto puede cambiar drásticamente ciertas propiedades de los materiales, por ejemplo, el grafeno se convierte en superconductor si dos capas de este material se combinan de la forma correcta.

"Estudiamos capas de bisulfuro de molibdeno, cuales, junto con el grafeno, es probablemente uno de los materiales 2D más importantes, "dice el profesor Florian Libisch, quien dirigió el proyecto en TU Wien. "Si coloca dos capas de este material una encima de la otra, las llamadas fuerzas de Van der Waals ocurren entre los átomos de estas dos capas. Estas son fuerzas relativamente débiles, pero son lo suficientemente fuertes como para cambiar completamente el comportamiento de todo el sistema ".

En elaboradas simulaciones por computadora, el equipo de investigación analizó el estado mecánico cuántico de la nueva estructura de dos capas causada por estas débiles fuerzas adicionales, y cómo esto afecta las vibraciones de los átomos en las dos capas.

El ángulo de rotación importa

"Si tuerce un poco las dos capas una contra la otra, las fuerzas de Van der Waals hacen que los átomos de ambas capas cambien un poco sus posiciones, "dice el Dr. Jiamin Quan, de UT Texas en Austin. Lideró los experimentos en Texas, lo que confirmó los resultados de los cálculos:El ángulo de rotación se puede utilizar para ajustar qué vibraciones atómicas son físicamente posibles en el material.

"En términos de ciencia de materiales, Es importante tener control sobre las vibraciones de los fonones de esta manera, "dice Lukas Linhart" El hecho de que las propiedades electrónicas de un material 2D se pueden cambiar uniendo dos capas ya se conocía antes. Pero el hecho de que las oscilaciones mecánicas en el material también puedan ser controladas por esto ahora nos abre nuevas posibilidades. Los fonones y las propiedades electromagnéticas están estrechamente relacionados. A través de las vibraciones en el material, por lo tanto, uno puede intervenir en importantes efectos de muchos cuerpos de una manera controladora ". Después de esta primera descripción del efecto para fonones, los investigadores ahora están tratando de describir fonones y electrones combinados, con la esperanza de aprender más sobre fenómenos importantes como la superconductividad.

El efecto Moiré material-físico hace que el ya rico campo de investigación de materiales 2D sea aún más rico, y aumenta las posibilidades de continuar encontrando nuevos materiales en capas con propiedades previamente inalcanzables y permite el uso de materiales 2D como una plataforma experimental para propiedades bastante fundamentales de sólidos.