La mayoría de los materiales pasan de ser sólidos a líquidos cuando se calientan. Un raro contraejemplo es el helio-3, que puede solidificarse al calentarse. Este efecto exótico y contradictorio, conocido como el efecto Pomeranchuk, ahora puede haber encontrado su análogo electrónico en un material conocido como grafeno de ángulo mágico, dice un equipo de investigadores del Instituto de Ciencias Weizmann dirigido por el profesor Shahal Ilani, en colaboración con el grupo del Prof. Pablo Jarillo-Herrero en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT).

Este resultado, publicado hoy en Naturaleza , viene gracias a la primera medición de entropía electrónica en un material bidimensional atómicamente delgado. "La entropía describe el nivel de desorden en un material y determina cuál de sus fases es estable a diferentes temperaturas, "explica Ilani." Nuestro equipo se creó para medir la entropía electrónica en el grafeno del ángulo mágico para resolver algunos de sus misterios pendientes, pero descubrí otra sorpresa ".

Entropía magnética gigante

La entropía es una cantidad física básica que no es fácil de captar o medir directamente. A bajas temperaturas, la mayoría de los grados de libertad en un material conductor se congelan, y solo los electrones contribuyen a la entropía. En materiales a granel, hay abundancia de electrones, y así es posible medir su capacidad calorífica y de ahí deducir la entropía. En un material bidimensional atómicamente delgado, debido a la pequeña cantidad de electrones, tal medición se vuelve extremadamente desafiante. Hasta aquí, ningún experimento logró medir la entropía en tales sistemas.

Para medir la entropía, El equipo de Weizmann utilizó un microscopio de barrido único que consta de un transistor de un solo electrón de nanotubos de carbono colocado en el borde de una sonda de barrido en voladizo. Este instrumento puede obtener una imagen espacial del potencial electrostático producido por los electrones en un material, con una sensibilidad sin precedentes. Basado en las relaciones de Maxwell que conectan las diferentes propiedades termodinámicas de un material, se pueden utilizar estas medidas electrostáticas para sondear directamente la entropía de los electrones.

"Cuando realizamos las mediciones en campos magnéticos altos, la entropía parecía absolutamente normal, siguiendo el comportamiento esperado de un líquido convencional (Fermi) de electrones, que es el estado más estándar en el que existen electrones a bajas temperaturas. Asombrosamente, sin embargo, en campo magnético cero, los electrones exhibieron un exceso de entropía gigante, cuya presencia era muy misteriosa ", dice Ilani. Esta entropía gigante surgió cuando el número de electrones en el sistema era aproximadamente uno por cada sitio de la" superrejilla "artificial formada en el grafeno del ángulo mágico.

"Superrejilla" artificial en capas retorcidas de grafeno

El grafeno es un cristal de átomos de carbono de un átomo de espesor dispuestos en una red hexagonal. Cuando se colocan dos láminas de grafeno una encima de la otra con una pequeña y especial, o "magia, "ángulo de desalineación, aparece un patrón muaré periódico que actúa como una "superrejilla" artificial para los electrones del material. Los patrones de moiré son un efecto popular en las telas y surgen donde una malla se superpone a otra en un ligero ángulo.

En el grafeno del ángulo mágico, los electrones vienen en cuatro sabores:girar 'hacia arriba' o girar 'hacia abajo, "y dos valles". Cada sitio de muaré puede contener hasta cuatro electrones, uno de cada sabor.

Los investigadores ya sabían que este sistema se comporta como un simple aislante cuando todos los sitios de muaré están completamente llenos (cuatro electrones por sitio). En 2018, sin embargo, El profesor Jarillo-Herrero y sus colegas descubrieron para su sorpresa que puede ser aislante en otros rellenos enteros (dos o tres electrones por sitio de muaré), lo cual solo podría explicarse si se forma un estado correlativo de electrones. Sin embargo, cerca de un relleno de un electrón por sitio muaré, la gran mayoría de las mediciones de transporte indicaron que el sistema es bastante simple, comportándose como un metal ordinario. Aquí es exactamente donde las mediciones de entropía realizadas por el equipo de Weizmann-MIT encontraron los resultados más sorprendentes.

"En contraste con el comportamiento observado en el transporte cerca de un relleno de un electrón por sitio muaré, que es bastante monótono, Nuestras mediciones indicaron que termodinámicamente, la transición de fase más dramática ocurre en este llenado, "dice el Dr. Asaf Rozen, un autor principal en este trabajo. "Nos dimos cuenta de que cerca de este relleno, al calentar el material, un líquido de Fermi bastante convencional se transforma en un metal correlacionado con una entropía magnética gigante. Esta entropía gigante (de aproximadamente 1 constante de Boltzmann por sitio de celosía) solo podría explicarse si cada sitio de muaré tiene un grado de libertad que es completamente libre de fluctuar ".

Un análogo electrónico del efecto Pomeranchuk.

"Este inusual exceso de entropía nos recordó un efecto exótico que se descubrió hace unos 70 años en el helio-3, ", dice el teórico de Weizmann, el profesor Erez Berg." La mayoría de los materiales, cuando se calienta, transformarse de sólido a líquido. Esto se debe a que un líquido siempre tiene más entropía que el sólido, ya que los átomos se mueven más erráticamente en el líquido que en el sólido. "En helio-3, sin embargo, en una pequeña parte del diagrama de fases, el material se comporta de manera completamente opuesta, y la fase de mayor temperatura es la sólida. Este comportamiento, predicho por el físico teórico soviético Isaak Pomeranchuk en la década de 1950, sólo puede explicarse por la existencia de otra fuente "oculta" de entropía en el sistema. En el caso del helio-3, esta entropía proviene de los espines nucleares que giran libremente. "Cada átomo tiene un giro en su núcleo (una 'flecha' que puede apuntar en cualquier dirección), "explica Berg." En helio-3 líquido, debido al principio de exclusión de Pauli, exactamente la mitad de los giros deben apuntar hacia arriba y la otra mitad debe apuntar hacia abajo, por lo que los giros no pueden girar libremente. En la fase sólida, sin embargo, los átomos están localizados y nunca se acercan entre sí, para que sus espines nucleares puedan girar libremente ".

"El exceso de entropía gigante que observamos en el estado correlacionado con un electrón por sitio muaré es análogo a la entropía en el helio-3 sólido, pero en lugar de átomos y espines nucleares, en el caso del grafeno de ángulo mágico tenemos electrones y espines electrónicos (o momentos magnéticos de valle), " él dice.

El diagrama de fase magnética

Para establecer aún más la relación con el efecto Pomeranchuk, el equipo realizó mediciones detalladas del diagrama de fases. Esto se hizo midiendo la "compresibilidad" de los electrones en el sistema, es decir, lo difícil que es exprimir electrones adicionales en un sitio de celosía determinado (tal medida se demostró en el grafeno bicapa retorcido en el trabajo anterior del equipo). Esta medición reveló dos fases distintas separadas por una fuerte caída en la compresibilidad:una baja entropía, fase electrónica similar a un líquido, y una fase sólida de alta entropía con momentos magnéticos libres. Siguiendo la caída en la compresibilidad, los investigadores mapearon el límite entre las dos fases en función de la temperatura y el campo magnético, demostrando que el límite de fase se comporta exactamente como se esperaba del efecto Pomerachuk.

"Este nuevo resultado desafía nuestra comprensión del grafeno del ángulo mágico, ", dice Berg." Nos imaginamos que las fases de este material eran simples, ya fueran conductoras o aislantes, y esperaba que a temperaturas tan bajas, todas las fluctuaciones electrónicas están congeladas. Este resulta no ser el caso, como muestra la entropía magnética gigante ".

"Los nuevos hallazgos proporcionarán nuevos conocimientos sobre la física de los sistemas de electrones fuertemente correlacionados y tal vez incluso ayuden a explicar cómo estos espines fluctuantes afectan la superconductividad". " él añade.

Los investigadores reconocen que aún no saben cómo explicar el efecto Pomeranchuk en el grafeno de ángulo mágico. ¿Es exactamente como en el helio-3 en que los electrones en la fase sólida permanecen a una gran distancia entre sí, permitiendo que sus momentos magnéticos permanezcan completamente libres? "No estamos seguros, "admite Ilani, "Dado que la fase que hemos observado tiene una 'personalidad de saliva', algunas de sus propiedades están asociadas con electrones itinerantes, mientras que otras solo pueden explicarse pensando en los electrones como localizados en una red".