¿Crees que sabes todo sobre un material? Intente darle un giro, literalmente. Esa es la idea principal de un campo emergente en la física de la materia condensada llamado "twistrónica", en el que los investigadores cambian drásticamente las propiedades de los materiales 2D, como el grafeno, con cambios sutiles (tan pequeños como pasar de 1,1° a 1,2°) en el ángulo. entre capas apiladas.

Se ha demostrado que las capas retorcidas de grafeno, por ejemplo, se comportan de maneras que las hojas individuales no lo hacen, incluso actuando como imanes, como superconductores eléctricos o como aislantes opuestos de un superconductor, todo debido a pequeños cambios en el ángulo de torsión entre las hojas.

En teoría, podrías marcar cualquier propiedad girando una perilla que cambia el ángulo de giro. La realidad, sin embargo, no es tan sencilla, dice el físico de Columbia Cory Dean. Dos capas retorcidas de grafeno pueden convertirse en un material nuevo, pero no se comprende bien exactamente por qué se manifiestan estas diferentes propiedades, y mucho menos es algo que todavía se puede controlar por completo.

Dean y su laboratorio han ideado una nueva técnica de fabricación sencilla que puede ayudar a los físicos a investigar las propiedades fundamentales de las capas retorcidas de grafeno y otros materiales 2D de una manera más sistemática y reproducible. Escribir en ciencia , utilizan largas "cintas" de grafeno, en lugar de escamas cuadradas, para crear dispositivos que ofrecen un nuevo nivel de previsibilidad y control tanto del ángulo de torsión como de la tensión.

Los dispositivos de grafeno generalmente se han ensamblado a partir de escamas de grafeno delgadas como un átomo y que miden solo unos pocos milímetros cuadrados. El ángulo de torsión resultante entre las hojas se fija en su lugar y puede ser complicado colocar las escamas en capas sin problemas.

"Imagínese el grafeno como trozos de plástico plástico; cuando junta dos piezas, se obtienen pequeñas arrugas y burbujas al azar", dice el posdoctorado Bjarke Jessen, coautor del artículo. Esas burbujas y arrugas son similares a cambios en el ángulo de torsión entre las hojas y la tensión física que se desarrolla entre ellas y puede hacer que el material se doble, doble y pellizque al azar. Todas estas variaciones pueden generar nuevos comportamientos, pero han sido difíciles de controlar dentro y entre dispositivos.

Las cintas pueden ayudar a suavizar las cosas. La nueva investigación del laboratorio muestra que, con solo un pequeño empujón desde la punta de un microscopio de fuerza atómica, pueden doblar una cinta de grafeno en un arco estable que luego se puede colocar plano sobre una segunda capa de grafeno no curvada. P>

El resultado es una variación continua en el ángulo de torsión entre las dos hojas que se extiende de 0° a 5° a lo largo del dispositivo, con una tensión distribuida uniformemente en todas partes; no más burbujas o arrugas aleatorias con las que lidiar. "Ya no tenemos que fabricar 10 dispositivos separados con 10 ángulos diferentes para ver qué sucede", dijo la posdoctorada y coautora Maëlle Kapfer. "Y ahora podemos controlar la tensión, algo que faltaba por completo en los dispositivos retorcidos anteriores".

El equipo utilizó microscopios especiales de alta resolución para confirmar cuán uniformes eran sus dispositivos. Con esa información espacial, desarrollaron un modelo mecánico que predice ángulos de torsión y valores de deformación basándose simplemente en la forma de la cinta curva.

Este primer artículo se centró en caracterizar el comportamiento y las propiedades de cintas de grafeno, así como de otros materiales que pueden diluirse en capas individuales y apilarse unas encima de otras. "Ha funcionado con todos los materiales 2D que hemos probado hasta ahora", señaló Dean.

A partir de aquí, el laboratorio planea utilizar su nueva técnica para explorar cómo cambian las propiedades fundamentales de los materiales cuánticos en función del ángulo de torsión y la deformación. Por ejemplo, investigaciones anteriores han demostrado que dos capas retorcidas de grafeno actúan como un superconductor cuando el ángulo de torsión es 1,1.

Sin embargo, existen modelos competitivos para explicar los orígenes de la superconductividad en este llamado "ángulo mágico", así como predicciones de ángulos mágicos adicionales que hasta ahora han sido demasiado difíciles de estabilizar, dijo Dean. Con dispositivos fabricados con cintas, que contienen todos los ángulos entre 0° y 5°, el equipo puede explorar con mayor precisión los orígenes de este fenómeno y otros.

"Lo que estamos haciendo es como la alquimia cuántica:tomar un material y convertirlo en otra cosa. Ahora tenemos una plataforma para explorar sistemáticamente cómo sucede eso", afirmó Jessen.

Más información: Maëlle Kapfer et al, Programación de ángulos de torsión y perfiles de deformación en materiales 2D, Ciencia (2023). DOI:10.1126/ciencia.ade9995

Información de la revista: Ciencia

Proporcionado por la Universidad de Columbia