En un nuevo estudio, científicos de Singapur y España han presentado una nueva vía para explorar la física exótica del grafeno. Se centran en las interacciones electrónicas del grafeno cuando se intercala en una estructura de tres capas que proporciona una plataforma para explotar configuraciones únicas de bandas electrónicas.
El grafeno es una lámina 2D de átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal que demuestra propiedades como alta conductividad eléctrica, resistencia mecánica y flexibilidad. Esto ha despertado el interés de los científicos como un candidato prometedor para aplicaciones electrónicas.
Sin embargo, se ha estudiado muy poco sobre las propiedades electrónicas del grafeno monocapa.
En estas nuevas Cartas de revisión física En el estudio, los investigadores se centraron en estudiar estas propiedades intercalando grafeno entre dos capas de nitruro de boro a granel.
El trabajo fue parte del Ph.D. del primer autor, Mohammed M. Al Ezzi. en la Universidad Nacional de Singapur (NUS), que ahora trabaja como postdoctorado con el profesor Shaffique Adam en NUS.
En la ciencia de los materiales, se apilan diferentes capas de materiales una encima de otra para crear una nueva estructura conocida como estructura muaré. Estas capas están desalineadas, lo que da lugar a la formación de un patrón muaré.
Estas capas interactúan entre sí mediante diversas fuerzas, en este caso, mediante fuerzas de van der Waal. Esto provoca variaciones en la energía potencial que experimenta el electrón dentro del material (grafeno o nitruro de boro), conocida como potencial muaré.
Entonces, el potencial muaré surge de la interferencia entre las disposiciones atómicas de los dos materiales, lo que resulta en una modulación periódica de la energía potencial dentro de la capa de grafeno.
Este potencial muaré juega un papel crucial al influir en las propiedades electrónicas del material y puede conducir a la aparición de fenómenos únicos como bandas planas y estados topológicos.
Los investigadores proponen una estructura de tres capas, con la capa de grafeno en el medio para inducir bandas topológicas. La estructura resultante se conoce como estructura supermoiré.
Se llama estructura super-moiré porque hay dos estructuras muaré distintas, de los sustratos de nitruro de boro superior e inferior. Esto da lugar a una física exótica, es decir, física no convencional.
El profesor Adam explicó:"Al situar el grafeno entre los sustratos de nitruro de boro y ajustar la alineación a ángulos de torsión específicos, podemos inducir bandas planas topológicas en el espectro de energía del grafeno. Estas bandas planas, a su vez, probablemente albergan estados electrónicos robustos y fuertemente correlacionados".
Las bandas topológicas son un estado electrónico único en un material que tiene propiedades especiales debido a su estructura inusual. Representan una desviación de los estados electrónicos convencionales como conductores o aislantes.
Para su trabajo, los investigadores especificaron ángulos de torsión de 0 grados para la capa inferior de nitruro de boro y de alrededor de 0,6 grados para la capa superior de nitruro de boro. Estos ángulos representan la cantidad de rotación aplicada a las capas en relación con sus orientaciones originales.
El modelo de los investigadores para la estructura de tres capas mostró la existencia de una banda topológica plana como resultado del potencial muaré.
Estas bandas planas representan niveles de energía planos, lo que significa que la energía de los electrones dentro de estas bandas no cambia mucho a medida que varía su impulso (piense en ello como caminar a través de una meseta).
La pregunta que surge ahora es:¿Cuál es el significado de estas bandas topológicas planas?
La existencia de estas bandas planas es una propiedad única y se puede utilizar para aprovechar diferentes propiedades electrónicas y, por lo tanto, aplicaciones electrónicas únicas.
Por ejemplo, los aisladores topológicos se comportan como aislantes en su conjunto pero conducen electricidad a lo largo de su superficie o bordes.
Los investigadores creen que estas bandas topológicas planas para el grafeno monocapa podrían dar lugar a una física correlacionada, en la que los electrones se comportan como una unidad colectiva (a través de interacciones de Coulombic), dando lugar a nuevos estados electrónicos, como la superconductividad, el magnetismo y las fases aislantes. /P>
El profesor Adam explicó:"Varios sistemas de muaré hechos de múltiples láminas de grafeno monocapa han mostrado la aparición de física correlacionada y bandas planas. Sin embargo, actualmente no existe una comprensión unificada de la aparición de bandas planas y física correlacionada en estos diferentes sistemas de muaré".
"Una forma de tener una comprensión unificada de la aparición de bandas planas y la física correlacionada en todos los diferentes sistemas muaré basados en grafeno es estudiar las bandas planas en una sola hoja monocapa. Estudiar una sola monocapa de grafeno puede indicarnos los ingredientes mínimos para mostrar bandas planas y fases correlacionadas."
Los investigadores también demostraron una generalización al extender sus hallazgos a la configuración de bicapa y tricapa de grafeno, lo que muestra potencial para la superconductividad.
Además, demostraron que estas bandas topológicas planas eran extremadamente estables, lo que indica su robustez y confiabilidad para respaldar la física correlacionada.
Existen varios otros métodos para inducir estas fuertes interacciones electrónicas que dan lugar a la física correlacionada. Pero algunos de ellos pueden afectar la calidad del grafeno en sí.
"Un método común para inducir fuertes interacciones electrónicas en el grafeno implica la deformación mecánica. Sin embargo, este enfoque a menudo compromete la calidad del grafeno y plantea desafíos en el control".
"Nuestro método promueve interacciones electrónicas más fuertes al inducir bandas planas y al mismo tiempo preserva las propiedades intrínsecas de alta calidad del grafeno", afirmó el profesor Adam.
Los investigadores ya están involucrados con una empresa llamada FLEET que está desarrollando transistores topológicos y esperan que su trabajo con bandas planas topológicas pueda ayudar a crear nuevos dispositivos.
Los hallazgos son interesantes para el desarrollo de novedosas electrónicas basadas en grafeno y también para mejorar la comprensión de la física de la materia condensada y la física exótica.
Más información: Mohammed M. Al Ezzi et al, Bandas planas topológicas en redes de super-moiré de grafeno, Cartas de revisión física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.126401. En arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2306.10116
Información de la revista: arXiv , Cartas de revisión física
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