El carbono no es el elemento más brillante, ni el más reactivo, ni el más raro. Pero es uno de los más versátiles.

El carbono es la columna vertebral de la vida en la tierra y los combustibles fósiles que han resultado de la desaparición de la vida antigua. El carbono es el ingrediente esencial para convertir el hierro en acero, que subyace en tecnologías que van desde espadas medievales hasta rascacielos y submarinos. Y las fibras de carbono fuertes y livianas se usan en automóviles, aviones y molinos de viento. Incluso el carbono por sí solo es extraordinariamente adaptable:es el único ingrediente (entre otras cosas) de los diamantes, las bolas de Bucky y el grafito (el material que se utiliza para fabricar la mina de un lápiz).

Esta última forma, el grafito, es a primera vista la más mundana, pero sus delgadas láminas albergan una gran cantidad de física poco común. La investigación sobre láminas individuales de grafito del grosor de un átomo —llamadas grafeno— despegó después de 2004, cuando los científicos desarrollaron una forma confiable de producirlas (utilizando cinta adhesiva de todos los días para separar las capas repetidamente). En 2010, los primeros experimentos que demostraron la riqueza cuántica del grafeno le valieron a dos investigadores el Premio Nobel de física.

En los últimos años, el grafeno ha seguido cediendo. Los investigadores han descubierto que apilar capas de grafeno dos o tres a la vez (llamadas, respectivamente, grafeno bicapa o grafeno tricapa) y torcer las capas entre sí abre un nuevo territorio fértil para que los científicos exploren. La investigación de estas láminas apiladas de grafeno es como el Lejano Oeste, completa con el atractivo de encontrar oro y la incertidumbre de un territorio desconocido.

Los investigadores del JQI y el Centro de Teoría de la Materia Condensada (CMTC) de la Universidad de Maryland, incluidos los becarios del JQI Sankar Das Sarma y Jay Sau, entre otros, están ocupados creando la base de la física teórica que será un mapa de este nuevo paisaje. Y hay mucho que mapear; los fenómenos en el grafeno van desde lo familiar como el magnetismo hasta cosas más exóticas como la metalicidad extraña, diferentes versiones del efecto Hall cuántico y el efecto Pomeranchuk, cada uno de los cuales involucra la coordinación de electrones para producir comportamientos únicos. Una de las vetas más prometedoras para el tesoro científico es la aparición de superconductividad (flujo eléctrico sin pérdidas) en el grafeno apilado.

"Aquí hay un sistema en el que casi todas las fases cuánticas interesantes de la materia que los teóricos podrían imaginar aparecen en un solo sistema a medida que el ángulo de giro, la densidad del portador y la temperatura se ajustan en una sola muestra en un solo experimento", dice Das Sarma, quien también es el Director de la CMTC. "Suena como magia o fantasía científica, excepto que sucede todos los días en al menos diez laboratorios en el mundo".

La riqueza y diversidad de los comportamientos eléctricos en las pilas de grafeno ha inspirado una estampida de investigación. La reunión de marzo de la Sociedad Estadounidense de Física de 2021 incluyó 13 sesiones que abordaron los temas del grafeno o las bicapas retorcidas, y Das Sarma organizó una conferencia virtual de un día en junio para que los investigadores discutieran el grafeno retorcido y la investigación relacionada inspirada en el tema. El tema del grafeno apilado está ampliamente representado en revistas científicas, y el servidor de preimpresión arXiv en línea tiene más de 2000 artículos publicados sobre "grafeno bicapa", casi 1000 desde 2018.

Quizás sorprendentemente, la gran cantidad de oportunidades de investigación cuántica del grafeno está ligada a su simplicidad física.

El grafeno es una hoja de panal repetitiva con un átomo de carbono que reside en cada esquina. Los átomos de carbono se unen fuertemente entre sí, lo que hace que las imperfecciones en el patrón sean poco comunes. Cada átomo de carbono contribuye con un electrón que puede moverse libremente entre los átomos, y las corrientes eléctricas son muy buenas para viajar a través de las láminas resultantes. Además, el grafeno es liviano, tiene una resistencia a la tracción que es más de 300 veces mayor que la del acero y es inusualmente bueno para absorber la luz. Estas características hacen que sea conveniente trabajar con él y también es fácil de obtener.

La estructura pura y consistente del grafeno es una excelente encarnación del ideal físico de un material sólido bidimensional. Esto lo convierte en el patio de recreo perfecto para comprender cómo se desarrolla la física cuántica en el material sin que los investigadores tengan que preocuparse por las complicaciones del desorden adicional que ocurre en la mayoría de los materiales. Luego, hay una variedad de nuevas propiedades que se desbloquean al apilar capas de grafeno una encima de la otra. Cada capa se puede rotar (por lo que los científicos llaman un "ángulo de giro") o cambiar en relación con el patrón hexagonal de sus vecinos.

Las propiedades estructurales y eléctricas del grafeno facilitan el cambio del paisaje cuántico que experimentan los electrones en un experimento, brindando a los investigadores varias opciones sobre cómo personalizar o ajustar las propiedades eléctricas del grafeno. La combinación de estos componentes básicos ya ha dado como resultado una gran cantidad de resultados diferentes, y aún no han terminado de experimentar.

Una floritura 'mágica'

En el mundo cuántico de los electrones en el grafeno, la forma en que las capas se asientan una encima de la otra es importante. Cuando las hojas adyacentes en una bicapa se retuercen entre sí, algunos átomos en la hoja superior terminan casi justo encima de su vecino correspondiente, mientras que en otros lugares los átomos terminan muy lejos (en una escala atómica) de cualquier átomo en la otra hoja. . Estas diferencias forman patrones repetitivos gigantes similares a la distribución de átomos en la hoja única pero en una escala mucho más larga, como se muestra en la imagen en la parte superior de la historia y en la imagen interactiva a continuación.

Cada cambio del ángulo también cambia la escala del patrón más grande que forma el paisaje cuántico a través del cual viajan los electrones. Los entornos cuánticos formados por varios patrones repetitivos (o la falta de organización) son una de las principales razones por las que los electrones se comportan de manera diferente en varios materiales; en particular, el entorno cuántico de un material dicta las interacciones que experimentan los electrones. Así que cada minúsculo giro de una capa de grafeno abre un nuevo mundo de posibilidades eléctricas.

"Este giro es realmente una nueva perilla de ajuste que estaba ausente antes del descubrimiento de estos materiales 2D", dice Fengcheng Wu, quien ha trabajado en la investigación del grafeno con Das Sarma como postdoctorado de JQI y CMTC y ahora colabora con él como profesor en Wuhan. Universidad en China. "En física, no tenemos demasiadas perillas de sintonización. Tenemos temperatura, presión, campo magnético y campo eléctrico. Ahora tenemos una nueva perilla de sintonización que es una gran cosa. Y este ángulo de giro también brinda nuevas oportunidades para estudiar física".

Los investigadores han descubierto que en un ángulo de giro especial y pequeño (alrededor de 1,1 grados), caprichosamente llamado "ángulo mágico", el entorno es perfecto para crear interacciones fuertes que cambian radicalmente sus propiedades. Cuando se alcanza ese ángulo preciso, los electrones tienden a agruparse alrededor de ciertas áreas del grafeno, y de repente aparecen nuevos comportamientos eléctricos como convocados con la floritura de un mago dramático. El grafeno de ángulo mágico se comporta como un aislante de mala conducción en algunas circunstancias y en otros casos llega al extremo opuesto de ser un superconductor, un material que transporta la electricidad sin pérdida de energía.

El descubrimiento del grafeno de ángulo mágico y que tiene ciertos comportamientos cuánticos similares a un superconductor de alta temperatura fue el Avance del año de Physics World 2018. Los superconductores tienen muchos usos potenciales valiosos, como revolucionar la infraestructura energética y hacer trenes de levitación magnética eficientes. Encontrar un superconductor conveniente a temperatura ambiente ha sido un santo grial para los científicos.

El descubrimiento de una nueva y prometedora forma de superconductividad y una plétora de otras rarezas eléctricas, todas con una nueva perilla conveniente para jugar, son avances significativos, pero lo más emocionante para los físicos son todas las nuevas preguntas que han planteado los descubrimientos. Das Sarma ha investigado muchos aspectos del grafeno en capas, lo que ha dado como resultado más de 15 artículos sobre el tema desde 2019; dice que dos de las preguntas que más le interesan son cómo el grafeno se vuelve superconductor y cómo se vuelve magnético.

"Varias multicapas de grafeno están resultando ser un campo de juego más rico para la física que cualquier otro sistema colectivo atómico o de materia condensada conocido:la aparición de superconductividad, magnetismo, aislante correlacionado, metal extraño aquí se combina con una topología no trivial subyacente, proporcionando una interacción entre interacción, estructura de banda y topología que es única y sin precedentes", dice Das Sarma. "El tema debe permanecer en la vanguardia de la investigación durante mucho tiempo".

Extraños compañeros de cama

Los científicos conocen la superconductividad y el magnetismo desde hace mucho tiempo, pero el grafeno no está donde esperaban encontrarlo. Encontrar ambos individualmente fue una sorpresa, pero los científicos también han encontrado que los dos fenómenos ocurren simultáneamente en algunos experimentos.

La superconductividad y el magnetismo suelen ser antagonistas, por lo que su presencia en una pila de grafeno sugiere que está sucediendo algo inusual. Los investigadores, como Das Sarma, esperan que descubrir qué interacciones conducen a estos fenómenos en el grafeno les dará una comprensión más profunda de la física subyacente y tal vez les permita descubrir más materiales con propiedades exóticas y útiles.

Un indicio del tesoro que posiblemente espera ser descubierto son las mediciones de las propiedades eléctricas del grafeno bicapa retorcido, que se asemejan a los comportamientos observados en ciertos superconductores de alta temperatura. Esto sugiere que el grafeno podría ser crucial para resolver los misterios que rodean la superconductividad a alta temperatura.

Las pistas actuales apuntan a que las peculiaridades de las interacciones de electrones son la clave para comprender el tema. La superconductividad requiere que los electrones se emparejen, por lo que las interacciones que impulsan el emparejamiento en las pilas de grafeno son de interés natural.

En un artículo publicado en Physical Review B , Das Sarma, Wu y Euyheon Hwang, quien anteriormente fue científico investigador de JQI y ahora es profesor en la Universidad Sungkyunkwan en Corea del Sur, propusieron que lo que une pares de electrones en el grafeno bicapa retorcido puede ser sorprendentemente mundano. Piensan que el mecanismo de emparejamiento puede ser el mismo que el de los superconductores mejor conocidos. Pero también piensan que el origen convencional puede resultar en pares no convencionales.

Su análisis sugiere que no son solo las interacciones que tienen los electrones entre sí las que mejoran en el ángulo mágico, sino también las interacciones de los electrones con las vibraciones de los átomos de carbono. Las vibraciones, llamadas fonones, son la versión mecánica cuántica del sonido y otras vibraciones en los materiales.

En los superconductores mejor entendidos, son los fonones los que unen los electrones en pares. En estos superconductores, se requiere que los electrones asociados tengan valores opuestos de su espín, una propiedad cuántica relacionada con la forma en que las partículas cuánticas se orientan en un campo magnético. Pero la teoría del equipo sugiere que en el grafeno, este mecanismo de emparejamiento tradicional no solo puede emparejar electrones con espines opuestos, sino también emparejar electrones con el mismo espín. Su descripción del método de emparejamiento proporciona una posible explicación para ayudar a comprender la superconductividad en el grafeno bicapa retorcido y los materiales basados ​​en grafeno en general.

"La superconductividad no convencional es muy buscada en la física, ya que es exótica por sí misma y también puede encontrar aplicaciones en la computación cuántica topológica", dice Wu. "Nuestra teoría proporciona un mecanismo convencional hacia la superconductividad no convencional".

Más recientemente, Das Sarma, Sau, Wu y Yang-Zhi Chou, investigador postdoctoral de JQI y CMTC, colaboraron para desarrollar una herramienta para ayudar a los científicos a comprender una variedad de pilas de grafeno. Recientemente se aceptó un artículo sobre esta investigación en Physical Review Letters. Hicieron un marco teórico para explorar la forma en que los electrones se comportan en una cuadrícula hexagonal. Se inspiraron en experimentos con grafeno tricapa retorcido de ángulo mágico. El grafeno tricapa torcido tiene la capa intermedia torcida en relación con las capas superior e inferior, como un sándwich de queso con la rebanada torcida para que sobresalgan las esquinas. Este sándwich de grafeno ha llamado la atención porque alberga superconductividad a una temperatura más alta que la versión de dos pilas.

El modelo teórico del equipo proporciona una descripción del comportamiento de los electrones en un mundo cuántico particular. Utilizándolo en el caso del grafeno tricapa torcido, demostraron que el emparejamiento poco común de electrones con el mismo espín podría dominar el comportamiento de los electrones y ser la fuente de la superconductividad del grafeno tricapa torcido.

Esta nueva herramienta proporciona un punto de partida para investigar otros experimentos con grafeno. Y la forma en que el mecanismo de emparejamiento identificado influye en los electrones puede ser importante en futuras discusiones sobre el papel del magnetismo en los experimentos con grafeno.

El magnetismo en el grafeno apilado es su propio misterioso truco de magia. El magnetismo no se encuentra en el grafito o en capas individuales de grafeno, pero de alguna manera aparece cuando se alinean las pilas. Es especialmente notable porque la superconductividad y el magnetismo normalmente no pueden coexistir en un material de la forma en que aparecen en las pilas de grafeno.

"Este estado superconductor no convencional en el grafeno tricapa retorcido puede resistir un gran campo magnético, una propiedad que rara vez se ve en otros materiales superconductores conocidos", dice Chou.

En otro artículo en Physical Review B , Das Sarma y Wu abordaron el enigma de la presencia simultánea de superconductividad y magnetismo en el grafeno bicapa retorcido, un sistema como el grafeno bicapa pero donde el giro se da entre dos pares de láminas de grafeno alineadas (para un total de cuatro láminas). Esta construcción con capas adicionales ha llamado la atención porque crea un entorno cuántico que es más sensible que una bicapa básica a un campo eléctrico aplicado a través de la pila, brindando a los investigadores una mayor capacidad para modificar la superconductividad y el magnetismo y observarlos en diferentes situaciones cuánticas.

En el documento, el equipo proporciona una explicación de la fuente del magnetismo y cómo un campo eléctrico aplicado podría producir el cambio observado en el comportamiento magnético de una pila. Creen que el magnetismo surge de una manera completamente diferente a la de los imanes más comunes, como los imanes de nevera a base de hierro. En un imán de hierro, los átomos de hierro individuales tienen cada uno su propio pequeño campo magnético. Pero el equipo cree que en el grafeno los átomos de carbono no se vuelven magnéticos. En cambio, creen que el magnetismo proviene de los electrones que se mueven libremente por toda la hoja.

Su teoría sugiere que el grafeno de doble bicapa se vuelve magnético debido a cómo los electrones se separan mejor en el entorno cuántico particular. Este impulso adicional podría llevar a que los electrones coordinen sus campos magnéticos individuales para crear un campo más grande.

La coordinación de los espines de los electrones también podría ser relevante para el apareamiento de electrones y la formación de superconductividad potencial. El giro se puede imaginar como una flecha que quiere alinearse con cualquier campo magnético circundante. La superconductividad normalmente falla cuando el magnetismo es lo suficientemente fuerte como para romper los dos espines opuestos. Pero ambos giros alineados en los pares explicarían los dos fenómenos que coexisten pacíficamente en los experimentos con grafeno.

Alrededor del siguiente giro del río

Si bien estas teorías sirven como guía para los investigadores que avanzan en el territorio desconocido de la investigación del grafeno, están lejos de ser un mapa definitivo. En la conferencia Das Sarma organizada en junio, un investigador presentó nuevas observaciones de superconductividad en tres láminas de grafeno apiladas sin ningún giro. Estas pilas se compensan para que ninguna de las capas esté una encima de la otra; cada hexágono tiene algunos de sus átomos de carbono colocados en el centro de los hexágonos de las otras capas. El experimento reveló dos áreas distintas de superconductividad, una de las cuales está perturbada por el magnetismo y la otra no. Esto sugiere que el giro puede no ser el ingrediente mágico que produce todos los fenómenos exóticos, pero también plantea nuevas preguntas, ofrece una ruta para identificar qué comportamientos electrónicos son creados o mejorados por el giro "mágico" y brinda una nueva oportunidad. para investigar las fuentes fundamentales de la física subyacente.

Inspirándose en este trabajo y en observaciones previas del magnetismo en la misma colaboración de Das Sarma, Sau, Wu y Chou exploraron matemáticamente la forma en que el acoplamiento de electrones de fonones podría estar funcionando en estas pilas sin torsión. El análisis del equipo sugiere que el emparejamiento de fonones es el probable impulsor de ambos tipos de superconductividad, uno con espines coincidentes y otro con espines opuestos. Este trabajo, dirigido por Chou, fue aceptado recientemente en Physical Review Letters y ha sido elegido como una sugerencia de los editores de PRL.

Estos resultados representan solo una fracción del trabajo en experimentos con grafeno en JQI y la CMTC, y muchos otros investigadores han abordado aspectos adicionales de este rico tema. Pero queda mucho por descubrir y comprender antes de que el tema del grafeno en capas sea un territorio trazado y domesticado. Estos primeros descubrimientos insinúan que, a medida que los investigadores profundizan, pueden descubrir nuevas líneas de investigación que representan una gran cantidad de oportunidades para comprender la nueva física y tal vez incluso desarrollar nuevas tecnologías.

"Las aplicaciones son difíciles de predecir, pero la capacidad de ajuste extrema de estos sistemas que muestran tantas fases y fenómenos diferentes hace que sea probable que haya aplicaciones", dice Das Sarma. "En esta etapa, es una investigación fundamental muy emocionante". + Explora más

Los investigadores observan la ruptura de la simetría de traducción en el grafeno bicapa retorcido