Físicos y colegas del MIT han convertido metafóricamente el grafito, o la mina de un lápiz, en oro aislando cinco hojuelas ultrafinas apiladas en un orden específico. El material resultante se puede ajustar para exhibir tres propiedades importantes nunca antes vistas en el grafito natural.
"Es como una ventanilla única", dice Long Ju, profesor asistente en el Departamento de Física del MIT y líder del trabajo, publicado en Nature Nanotechnology. . "En este caso, nunca nos dimos cuenta de que todas estas cosas interesantes están incrustadas en grafito."
Además, afirma:"Es muy raro encontrar materiales que puedan albergar tantas propiedades".
El grafito está compuesto de grafeno, que es una sola capa de átomos de carbono dispuestos en hexágonos que se asemejan a una estructura de panal. El grafeno, a su vez, ha sido objeto de intensas investigaciones desde que se aisló por primera vez hace unos 20 años. Luego, hace unos cinco años, investigadores, incluido un equipo del MIT, descubrieron que apilar láminas individuales de grafeno y girarlas en un ligero ángulo entre sí puede impartir nuevas propiedades al material, desde superconductividad hasta magnetismo. Nació el campo de la "twistrónica".
En el trabajo actual, "descubrimos propiedades interesantes sin ninguna torsión", dice Ju, que también está afiliado al Laboratorio de Investigación de Materiales.
Él y sus colegas descubrieron que cinco capas de grafeno dispuestas en un orden determinado permiten que los electrones que se mueven dentro del material hablen entre sí. Ese fenómeno, conocido como correlación electrónica, "es la magia que hace posibles todas estas nuevas propiedades", afirma Ju.
El grafito a granel (e incluso las láminas individuales de grafeno) son buenos conductores eléctricos, pero eso es todo. El material que Ju y sus colegas aislaron, al que llaman grafeno apilado romboédrico pentacapa, se convierte en mucho más que la suma de sus partes.
Microscopio novedoso
La clave para aislar el material fue un novedoso microscopio que Ju construyó en el MIT en 2021 y que puede determinar de forma rápida y relativamente económica una variedad de características importantes de un material a nanoescala. El grafeno pentacapa romboédrico apilado tiene sólo unas pocas milmillonésimas de metro de espesor.
Los científicos, incluido Ju, buscaban grafeno multicapa apilado en un orden muy preciso, conocido como apilamiento romboédrico. Ju dice:"Hay más de 10 órdenes de apilamiento posibles cuando se llega a cinco capas. Romboédrico es solo uno de ellos". El microscopio que construyó Ju, conocido como microscopía óptica de campo cercano de barrido de tipo dispersión, o s-SNOM, permitió a los científicos identificar y aislar sólo las pentacapas en el orden de apilamiento romboédrico que les interesaba.
A partir de ahí, el equipo conectó electrodos a un pequeño sándwich compuesto de "pan" de nitruro de boro que protege la delicada "carne" de grafeno apilado romboédrico pentacapa. Los electrodos les permitieron sintonizar el sistema con diferentes voltajes o cantidades de electricidad. El resultado:descubrieron la aparición de tres fenómenos diferentes dependiendo del número de electrones que inundan el sistema.
"Descubrimos que el material podría ser aislante, magnético o topológico", dice Ju. Este último está algo relacionado tanto con los conductores como con los aislantes. Básicamente, explica Ju, un material topológico permite el movimiento sin obstáculos de electrones alrededor de los bordes de un material, pero no a través del medio. Los electrones viajan en una dirección a lo largo de una "carretera" en el borde del material separados por una mediana que constituye el centro del material. Entonces el borde de un material topológico es un conductor perfecto, mientras que el centro es un aislante.
"Nuestro trabajo establece que el grafeno multicapa apilado romboédrico es una plataforma altamente ajustable para estudiar estas nuevas posibilidades de física topológica y fuertemente correlacionada", concluyen Ju y sus coautores.
Además de Ju, los autores del artículo son Tonghang Han y Zhengguang Lu. Han es un estudiante de posgrado en el Departamento de Física; Lu es asociado postdoctoral en el Laboratorio de Investigación de Materiales. Los dos son coautores del artículo.
Más información: Tonghang Han et al, Aislador correlacionado y aisladores Chern en grafeno pentacapa apilado romboédrico, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01520-1
Información de la revista: Nanotecnología de la naturaleza
Proporcionado por el Laboratorio de Investigación de Materiales, Instituto de Tecnología de Massachusetts
