Desde que el grafeno se aisló y caracterizó por primera vez a principios de la década de 2000, los investigadores han estado explorando formas de utilizar este nanomaterial atómicamente delgado debido a sus propiedades únicas, como alta resistencia a la tracción y conductividad.

En años más recientes, se ha demostrado que el grafeno bicapa torcido, hecho de dos láminas de grafeno torcidas en un ángulo "mágico" específico, tiene superconductividad, lo que significa que puede conducir la electricidad con muy poca resistencia. Sin embargo, el uso de este enfoque para fabricar dispositivos sigue siendo un desafío debido al bajo rendimiento de la fabricación de grafeno bicapa retorcido.

Ahora, un nuevo estudio muestra cómo las deformaciones periódicas con patrones de una sola capa de grafeno la transforman en un material con propiedades electrónicas vistas previamente en bicapas de grafeno retorcidas. Este sistema también alberga estados de conducción inesperados e interesantes adicionales en el límite. A través de una mejor comprensión de cómo se producen las propiedades únicas cuando las hojas individuales de grafeno se someten a tensión periódica, este trabajo tiene el potencial de crear dispositivos cuánticos como imanes orbitales y superconductores en el futuro. El estudio, publicado en Physical Review Letters , fue realizado por el estudiante graduado Võ Tiến Phong y el profesor Eugene Mele en el Departamento de Física y Astronomía de Penn en la Escuela de Artes y Ciencias.

Una alternativa al complejo método de bicapa retorcida es usar capas individuales de grafeno que se colocan sobre un sustrato cuidadosamente modelado, conocido como "lecho de clavos", que aplica una fuerza externa, o tensión, de manera periódica. Para comprender mejor las propiedades geométricas cuánticas de este sistema, Mele y Phong se propusieron comprender la teoría subyacente a cómo se mueven los electrones en este sistema de una sola capa.

Después de ejecutar simulaciones por computadora de experimentos de una sola capa, los investigadores se sorprendieron al encontrar nuevas pruebas de fenómenos inesperados a lo largo de la superficie del material, pero solo en un lado. "En general, la topología en general se asocia con las propiedades de la superficie y, cuando ese es el caso, todas las superficies heredan la propiedad", dice Mele. "Aquí, el hecho de que hubiera modos de borde en un lado y no en el otro me pareció profundamente inusual".

Este hallazgo fue inesperado porque en este sistema el campo pseudomagnético promedio, inducido cuando el sistema está sometido a tensión, era cero:positivo en un área pero negativo en la otra, lo que, según la hipótesis de los investigadores, anularía cualquier fenómeno único. "Si el campo magnético es cero, probablemente no obtengas ninguna física interesante", dice Phong. "Por el contrario, descubrimos que, aunque el campo magnético promedio es cero, aún brinda una física interesante en el borde".

Para explicar este resultado inesperado, Phong analizó más de cerca un sistema experimental similar en el que se doblan láminas individuales de grafeno para simular un campo inducido por tensión constante en lugar de periódico. Phong descubrió que este sistema tenía el mismo índice topológico, lo que significa que también ocurrirían estados de borde que solo prosperarían en un lado específico del material. "La física aquí era similar y parecía ser la explicación correcta para la fenomenología en la que estábamos trabajando", dice Phong.

En general, este estudio predice que las bandas planas, similares a las que se encuentran en el grafeno bicapa retorcido, se crean al depositar una capa única atómicamente delgada sobre un sustrato de lecho de clavos que induce una distorsión periódica en la hoja de grafeno.

Los investigadores ya están avanzando hacia una comprensión aún más profunda de estos sistemas de una sola capa. Una vía de investigación adicional implica una colaboración con el profesor asistente Bo Zhen para estudiar el mismo fenómeno utilizando ondas de luz. Los investigadores también están interesados ​​en ver si otras propiedades únicas que existen en el grafeno bicapa torcido también podrían ocurrir dentro de los sistemas de una sola capa.

"Aunque la física es simple, lo que significa que puedes hacer que el sistema se comporte de la manera que quieras de una manera más controlada, la fenomenología que puedes obtener no lo es. Es muy rica y todavía estamos descubriendo cosas nuevas. mientras hablamos", dice Phong.

Y debido a que es más fácil trabajar con estos sistemas de una sola capa, esta comprensión teórica mejorada tiene el potencial de ayudar en futuros descubrimientos en el campo de la física del estado de borde, incluidos posibles dispositivos nuevos, como materiales cuánticos ultrapequeños e increíblemente rápidos.

"Hay un gran esfuerzo en este momento para comprender estas bicapas de grafeno retorcidas, y creo que una pregunta interesante que estamos abordando aquí son los ingredientes esenciales de un sistema físico que realmente podría hacer eso", dice Mele. "Estamos construyendo estructuras artificiales que no podrías construir de arriba hacia abajo en una escala de longitud interesante, más grandes que los átomos, más pequeñas de lo que puedes hacer con la litografía, y, si tienes el control de eso, hay muchas cosas que puedes hacer". puede hacer." + Explora más

Un vistazo al interior de un sándwich de grafeno