La mina de un lápiz común y corriente posee propiedades extraordinarias cuando se recorta en capas tan delgadas como un átomo. Una única lámina de grafito, del grosor de un átomo, conocida como grafeno, es sólo una pequeña fracción del ancho de un cabello humano. Bajo el microscopio, el material se asemeja a una red de átomos de carbono unidos en una red hexagonal.
A pesar de sus proporciones, los científicos han descubierto a lo largo de los años que el grafeno es excepcionalmente fuerte. Y cuando el material se apila y se retuerce en contorsiones específicas, puede adoptar un comportamiento electrónico sorprendente.
Ahora, los físicos del MIT han descubierto otra propiedad sorprendente en el grafeno:cuando se apila en cinco capas, en un patrón romboédrico, el grafeno adquiere un estado "multiferroico" muy raro, en el que el material exhibe un magnetismo no convencional y un tipo exótico de comportamiento electrónico. , que el equipo ha denominado ferro-valleytricidad.
"El grafeno es un material fascinante", afirma el líder del equipo Long Ju, profesor asistente de física en el MIT. "Cada capa que agregas te proporciona esencialmente un material nuevo. Y ahora esta es la primera vez que vemos ferrovalleytricidad y magnetismo no convencional en cinco capas de grafeno. Pero no vemos esta propiedad en una, dos, tres, o cuatro capas."
El descubrimiento podría ayudar a los ingenieros a diseñar dispositivos de almacenamiento de datos de alta capacidad y consumo ultrabajo para computadoras clásicas y cuánticas.
"Tener propiedades multiferroicas en un material significa que, si se pudiera ahorrar energía y tiempo al escribir un disco duro magnético, también se podría almacenar el doble de información en comparación con los dispositivos convencionales", afirma Ju.
Su equipo informa sobre su descubrimiento en un artículo en Nature. . Los coautores del MIT incluyen al autor principal Tonghang Han, además de Zhengguang Lu, Tianyi Han y Liang Fu; junto con los colaboradores de la Universidad de Harvard Giovanni Scuri, Jiho Sung, Jue Wang y Hongkun Park; y Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón.
Un material ferroico es aquel que muestra algún comportamiento coordinado en sus propiedades eléctricas, magnéticas o estructurales. Un imán es un ejemplo común de material ferroico:sus electrones pueden coordinarse para girar en la misma dirección sin un campo magnético externo. Como resultado, el imán apunta espontáneamente a una dirección preferida en el espacio.
Otros materiales pueden ser ferroicos por diferentes medios. Pero se ha descubierto que sólo unos pocos son multiferroicos, un estado poco común en el que múltiples propiedades pueden coordinarse para exhibir múltiples estados preferidos. En los multiferroicos convencionales, sería como si, además de que el imán apuntara en una dirección, la carga eléctrica también se desplazara en una dirección independiente de la dirección magnética.
Los materiales multiferroicos son de interés para la electrónica porque potencialmente podrían aumentar la velocidad y reducir el costo energético de los discos duros. Los discos duros magnéticos almacenan datos en forma de dominios magnéticos; esencialmente, imanes microscópicos que se leen como 1 o 0, dependiendo de su orientación magnética.
Los imanes funcionan mediante una corriente eléctrica, que consume mucha energía y no puede funcionar rápidamente. Si se pudiera fabricar un dispositivo de almacenamiento con materiales multiferroicos, los dominios podrían cambiarse mediante un campo eléctrico más rápido y de mucha menor potencia. Ju y sus colegas tenían curiosidad sobre si surgiría un comportamiento multiferroico en el grafeno.
La estructura extremadamente delgada del material es un entorno único en el que los investigadores han descubierto interacciones cuánticas que de otro modo estarían ocultas. En particular, Ju se preguntó si el grafeno mostraría un comportamiento coordinado y multiferroico entre sus electrones cuando se dispusieran bajo ciertas condiciones y configuraciones.
"Estamos buscando entornos donde los electrones se desaceleren, donde sus interacciones con la red de átomos circundantes sean pequeñas, de modo que sus interacciones con otros electrones puedan realizarse", explica Ju. "Ahí es cuando tenemos alguna posibilidad de ver comportamientos colectivos interesantes de los electrones".
El equipo llevó a cabo algunos cálculos simples y descubrió que debería surgir algún comportamiento coordinado entre los electrones en una estructura de cinco capas de grafeno apiladas juntas en un patrón romboédrico. (Piense en cinco vallas de alambre de gallinero, apiladas y ligeramente desplazadas de modo que, vista desde arriba, la estructura parecería un patrón de diamantes).
"En cinco capas, los electrones se encuentran en un entorno reticular donde se mueven muy lentamente, por lo que pueden interactuar con otros electrones de manera efectiva", dice Ju. "Ahí es cuando los efectos de correlación de electrones comienzan a dominar y pueden comenzar a coordinarse en ciertos órdenes ferroicos preferidos".
Luego, los investigadores entraron al laboratorio para ver si realmente podían observar el comportamiento multiferroico en el grafeno de cinco capas. En sus experimentos, comenzaron con un pequeño bloque de grafito, del cual exfoliaron cuidadosamente escamas individuales. Utilizaron técnicas ópticas para examinar cada escama, buscando específicamente escamas de cinco capas, dispuestas de forma natural en un patrón romboédrico.
"Hasta cierto punto, la naturaleza hace la magia", dijo el autor principal y estudiante de posgrado Han. "Y podemos observar todas estas escamas y decir cuál tiene cinco capas, en este apilamiento romboédrico, que es lo que debería dar este efecto de desaceleración en los electrones".
El equipo aisló varias escamas de cinco capas y las estudió a temperaturas justo por encima del cero absoluto. En condiciones tan ultrafrías, todos los demás efectos, como los trastornos inducidos térmicamente dentro del grafeno, deberían amortiguarse, permitiendo que surjan interacciones entre electrones. Los investigadores midieron la respuesta de los electrones a un campo eléctrico y a un campo magnético y descubrieron que, efectivamente, surgieron dos órdenes ferroicos, o conjuntos de comportamientos coordinados.
La primera propiedad ferroica fue un magnetismo poco convencional:los electrones coordinaban su movimiento orbital, como planetas que giran en círculos en la misma dirección. (En los imanes convencionales, los electrones coordinan su "giro":giran en la misma dirección, mientras permanecen relativamente fijos en el espacio).
La segunda propiedad ferroica tenía que ver con el "valle" electrónico del grafeno. En todo material conductor existen ciertos niveles de energía que los electrones pueden ocupar. Un valle representa el estado de energía más bajo en el que un electrón puede asentarse naturalmente. Resulta que hay dos posibles valles en el grafeno. Normalmente, los electrones no tienen preferencia por ninguno de los valles y se asientan igualmente en ambos.
Pero en el grafeno de cinco capas, el equipo descubrió que los electrones comenzaron a coordinarse y prefirieron asentarse en un valle sobre el otro. Este segundo comportamiento coordinado indicó una propiedad ferroica que, combinada con el magnetismo no convencional de los electrones, le dio a la estructura un raro estado multiferroico.
"Sabíamos que algo interesante sucedería en esta estructura, pero no sabíamos exactamente qué, hasta que lo probamos", dice el coautor Lu, postdoctorado en el grupo de Ju. "Es la primera vez que vemos una ferro-valleytrónica, y también la primera vez que vemos una coexistencia de ferro-valleytrónica con un ferro-imán no convencional."
El equipo demostró que podían controlar ambas propiedades ferroicas mediante un campo eléctrico. Imaginan que, si los ingenieros pueden incorporar grafeno de cinco capas o materiales multiferroicos similares en un chip de memoria, podrían, en principio, usar el mismo campo eléctrico de baja potencia para manipular los electrones del material de dos maneras en lugar de una, y de manera efectiva. el doble de datos que podrían almacenarse en un chip en comparación con los multiferroicos convencionales.
Si bien esa visión está lejos de ser una realización práctica, los resultados del equipo abren nuevos caminos en la búsqueda de dispositivos electrónicos, magnéticos y valletrónicos mejores y más eficientes.
Más información: Long Ju, Multiferroicidad orbital en grafeno romboédrico pentacapa, Naturaleza (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06572-w. www.nature.com/articles/s41586-023-06572-w
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Massachusetts
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.
