La nematicidad es una nueva pieza en el rompecabezas del diagrama de fases del grafeno de doble bicapa

Dos imágenes de espectroscopia de 200 nm de ancho de una muestra de grafeno de doble bicapa retorcida. La izquierda muestra la red triangular del material muaré, que tiene una simetría triple y se puede girar 120 grados en cualquier dirección sin cambiar la imagen. La segunda imagen se tomó con una energía diferente y ahora solo se puede girar 180 grados. La aparición de rayas refleja esta simetría rotacional rota e indica una fase nemática. Crédito:Carmen Rubio-Verdú

Aunque las láminas retorcidas de grafeno de doble bicapa se han estudiado ampliamente en los últimos años, todavía faltan piezas en el rompecabezas que es su diagrama de fase:los diferentes estados fundamentales no perturbados del sistema. Escribir en Física de la Naturaleza , Carmen Rubio-Verdú y sus colegas han encontrado una nueva pieza del rompecabezas:una fase nemática electrónica.

Descrito por primera vez en otro estado de la materia llamado cristal líquido, una fase nemática ocurre cuando las partículas en un material rompen una estructura simétrica y se orientan libremente entre sí a lo largo del mismo eje. Este fenómeno es la base de la pantalla LCD comúnmente utilizada en televisores y monitores de computadora. En una fase nemática electrónica, las partículas en cuestión son electrones, cuyo comportamiento y disposición en un material pueden influir en qué tan bien ese material conducirá una corriente eléctrica en diferentes direcciones.

"Los datos son asombrosos", dice el coautor Rafael Fernandes, físico teórico de la Universidad de Minnesota que conoció al autor principal Abhay Pasupathy como postdoctorado en Columbia. "Puedes ver claramente que se está rompiendo una simetría".

Las simetrías rotas a menudo producen efectos cuánticos novedosos, explicó. El grafeno de doble bicapa torcido generalmente tiene una simetría triple:no importa cuántas veces gire una imagen de él en giros de 120 grados, permanece igual. Usando microscopía de túnel de barrido y espectroscopía para registrar las propiedades electrónicas de átomos individuales, Rubio-Verdú y sus colegas registraron grafeno torcido a diferentes voltajes. "Lo que vemos son rayas", dijo, son electrones que se realinean y rompen la simetría de la muestra, incluso cuando la red atómica subyacente sigue siendo la misma. En esta fase nemática observada, la imagen ahora solo se puede voltear 180 grados.

"Estas fases surgen de las interacciones electrón-electrón", dijo Rubio-Verdú, becaria de acciones Marie Skłodowska-Curie que estudia las fases electrónicas en materiales muaré como el grafeno retorcido con Pasupathy. "Encontrar una nueva fase como esta es emocionante porque se suma a nuestra comprensión holística de los sistemas basados en grafeno".

Experimentos anteriores sugirieron que existía una fase electrónica correlacionada en el grafeno retorcido, pero no estaba claro si esto era realmente el resultado de la tensión en el material retorcido. La tensión también puede persuadir a los electrones para que se muevan, pero este es un efecto mecánico más que electrónico, explicó Rubio-Verdú. En este experimento, el equipo usó una muestra de grafeno retorcido que era relativamente grande pero tenía una tensión extremadamente baja:solo 0,03 por ciento. “Estamos viendo cientos de nanómetros y el efecto persiste”, dijo Rubio-Verdú. "Esta es una fase nemática electrónica real".

Teóricamente, tal fase podría existir en cualquier material basado en grafeno. En el trabajo futuro, el equipo planea explorar cómo la fase nemática influye en la capacidad del grafeno de doble bicapa torcida para conducir una corriente eléctrica.

Comprender el conjunto completo de comportamiento electrónico en materiales muaré como el grafeno retorcido puede algún día ayudar a los físicos a comprender mejor otra fase cuántica, la superconductividad, en la que una corriente eléctrica se mueve a través de un material con resistencia cero. Esta fase, sin embargo, ocurre actualmente a temperaturas muy bajas; incluso los llamados superconductores de alta temperatura, utilizados en dispositivos como máquinas de resonancia magnética, deben mantenerse a casi 100 °F bajo cero. Aunque los materiales muaré como el grafeno trenzado se estudian a temperaturas cercanas a -450 °F, comparten similitudes con los superconductores de alta temperatura, dijo Rubio-Verdú, como estados superconductores y aislantes que dependen del dopaje de electrones.

El campo aún plantea preguntas fundamentales sobre la naturaleza de los materiales muaré, pero el descubrimiento de una fase nemática electrónica en el grafeno de doble bicapa retorcida es solo una pieza más de ese rompecabezas que ahora se está armando. "Estamos viendo nematicidad electrónica en otra clase de compuestos", dijo Fernandes. "A medida que las personas descubren todo tipo de formas diferentes de torcer diferentes capas, ahora queremos descubrir qué es común y robusto". + Explora más