La ley de Ohm es bien conocida en la clase de física. Establece que la resistencia de un conductor y el voltaje que se le aplica determinan cuánta corriente fluirá a través del conductor. Los electrones del material (los portadores cargados negativamente) se mueven de forma desordenada y en gran medida de forma independiente entre sí. Los físicos lo encuentran mucho más interesante, sin embargo, cuando los portadores de carga se influyen entre sí lo suficiente como para que esa simple imagen ya no sea correcta.

Este es el caso, por ejemplo, en "Grafeno bicapa retorcido, "que se descubrió hace unos años. Ese material está hecho de dos capas de grafeno delgadas como una oblea que constan de una sola capa de átomos de carbono cada una. Si dos capas vecinas están ligeramente retorcidas una con respecto a la otra, los electrones pueden verse influidos de tal manera que interactúen fuertemente entre sí. Como consecuencia, el material puede, por ejemplo, se vuelven superconductores y, por lo tanto, conducen la corriente sin pérdidas.

Un equipo de investigadores dirigido por Klaus Ensslin y Thomas Ihn en el Laboratorio de Física del Estado Sólido en ETH Zurich, junto con colegas de la Universidad de Texas en Austin (EE. UU.), ahora ha observado un estado novedoso en capas dobles retorcidas de grafeno. En ese estado electrones cargados negativamente y los llamados huecos cargados positivamente, que faltan electrones en el material, están tan fuertemente correlacionados entre sí que el material ya no conduce corriente eléctrica.

Capas de grafeno retorcidas

"En experimentos convencionales, en el que las capas de grafeno se retuercen aproximadamente un grado entre sí, la movilidad de los electrones está influenciada por el efecto túnel de la mecánica cuántica entre las capas, "explica Peter Rickhaus, un postdoctorado y autor principal del estudio publicado recientemente en la revista Ciencias . "En nuestro nuevo experimento, por el contrario, giramos dos capas dobles de grafeno en más de dos grados entre sí, de modo que los electrones esencialmente ya no pueden hacer un túnel entre las capas dobles ".

Mayor resistencia a través del acoplamiento

Como resultado de esto, aplicando un campo eléctrico, se pueden crear electrones en una de las capas dobles y huecos en la otra. Tanto los electrones como los huecos pueden conducir corriente eléctrica. Por lo tanto, uno esperaría que las dos capas dobles de grafeno juntas formen un conductor aún mejor con una resistencia menor.

Bajo ciertas circunstancias, sin embargo, puede suceder exactamente lo contrario, como Folkert de Vries, un postdoctorado en el equipo de Ensslin, explica:"Si ajustamos el campo eléctrico de tal manera que tenga el mismo número de electrones y huecos en las capas dobles, la resistencia aumenta de repente drásticamente ". Durante varias semanas, Ensslin y sus colaboradores no pudieron dar sentido a ese sorprendente resultado, pero finalmente su colega teórico Allan H. MacDonald de Austin les dio una pista decisiva:según MacDonald, habían observado un nuevo tipo de onda de densidad.

Las llamadas ondas de densidad de carga generalmente surgen en conductores unidimensionales cuando los electrones en el material conducen colectivamente la corriente eléctrica y también se organizan espacialmente en ondas. En el experimento realizado por los investigadores de ETH, ahora son los electrones y los agujeros los que se emparejan entre sí por atracción electrostática y, por lo tanto, forman una onda de densidad colectiva. Esa onda de densidad sin embargo, ahora consta de pares de agujeros de electrones eléctricamente neutros, de modo que las dos capas dobles tomadas juntas ya no puedan conducir corriente eléctrica.

Nuevo estado correlacionado

"Ese es un estado correlacionado completamente nuevo de electrones y huecos que no tiene carga general, "dice Ensslin." Este estado neutral puede, sin embargo, transmitir información o conducir calor. Es más, lo que tiene de especial es que podemos controlarlo por completo a través del ángulo de torsión y el voltaje aplicado ". Se han observado estados similares en otros materiales en los que se crean pares de agujeros de electrones (también conocidos como excitones) mediante la excitación con luz láser. el experimento en ETH, sin embargo, los electrones y los huecos están en su estado fundamental, o estado de menor energía, lo que significa que su vida no está limitada por la descomposición espontánea.

Posible aplicación en tecnologías cuánticas

Ensslin, que se especializa en la investigación de las propiedades electrónicas de pequeños sistemas cuánticos, ya está especulando sobre posibles aplicaciones prácticas para el nuevo estado correlacionado. Sin embargo, esto requerirá una buena cantidad de trabajo preparatorio. Uno podría atrapar los pares de agujeros de electrones, por ejemplo en un resonador (Fabry-Pérot). Eso es muy exigente ya que las partículas neutras no se pueden controlar directamente, por ejemplo usando campos eléctricos. El hecho de que el estado sea eléctricamente neutro podría, por otra parte, resultó ser una ventaja:podría aprovecharse para hacer que las memorias cuánticas sean menos susceptibles al ruido del campo eléctrico.