Investigadores del Instituto Nacional de Grafeno (NGI) de la Universidad de Manchester han revisado uno de los materiales más antiguos de la Tierra, el grafito, y han descubierto nueva física que ha eludido el campo durante décadas.

A pesar de estar formado enteramente por capas de átomos de carbono dispuestos en forma de panal, el grafito natural no es tan simple como podría pensarse. La forma en que estas capas atómicas se apilan una encima de otra puede dar como resultado diferentes tipos de grafito, caracterizados por un orden de apilamiento diferente de planos atómicos consecutivos.

La mayoría del grafito de apariencia natural tiene un apilamiento hexagonal, lo que lo convierte en uno de los materiales más "ordinarios" de la Tierra. La estructura del cristal de grafito es un patrón repetitivo. Este patrón se altera en la superficie del cristal y conduce a lo que se llama "estados superficiales", que son como ondas que se desvanecen lentamente a medida que se profundiza en el cristal. Pero aún no se comprende bien cómo se pueden ajustar los estados de la superficie en el grafito.

La tecnología de Van der Waals y la twistrónica (apilar dos cristales 2D en un ángulo de torsión para ajustar en gran medida las propiedades de la estructura resultante, debido al patrón muaré formado en su interfaz) son los dos campos líderes en la investigación de materiales 2D. Ahora, el equipo de investigadores del NGI, dirigido por el profesor Artem Mishchenko, emplea un patrón muaré para ajustar los estados de la superficie del grafito, que recuerda a un caleidoscopio con imágenes en constante cambio a medida que uno gira la lente, revelando la nueva y extraordinaria física detrás del grafito.

En particular, el profesor Mishchenko amplió la técnica de la twistrónica al grafito tridimensional y descubrió que el potencial muaré no sólo modifica los estados superficiales del grafito, sino que también afecta el espectro electrónico de toda la masa del cristal de grafito. Al igual que en la conocida historia de La princesa y el guisante, la princesa sintió el guisante a través de los veinte colchones y los veinte edredones. En el caso del grafito, el potencial muaré en una interfaz alineada podría atravesar más de 40 capas atómicas de grafito.

Esta investigación, publicada en el último número de Nature , estudiaron los efectos de los patrones muaré en grafito hexagonal a granel generado por alineación cristalográfica con nitruro de boro hexagonal. El resultado más fascinante es la observación de una mezcla bidimensional de los estados superficial y masivo del grafito, que se manifiesta en un nuevo tipo de efecto Hall cuántico fractal:una mariposa de Hofstadter 2,5D.

El profesor Artem Mishchenko de la Universidad de Manchester, que ya descubrió el efecto Hall cuántico de 2,5 dimensiones en el grafito, dijo:"El grafito dio origen al célebre grafeno, pero la gente normalmente no está interesada en este 'viejo' material. Y ahora, Incluso con nuestro conocimiento acumulado sobre el grafito en diferentes órdenes de apilamiento y alineación en los últimos años, todavía consideramos que el grafito es un sistema muy atractivo; aún queda mucho por explorar".

Ciaran Mullan, uno de los principales autores del artículo, añadió:"Nuestro trabajo abre nuevas posibilidades para controlar las propiedades electrónicas mediante twistrónica no sólo en materiales 2D sino también en 3D".

El profesor Vladimir Fal'ko, director del Instituto Nacional de Grafeno y físico teórico del Departamento de Física y Astronomía, añadió:"El inusual efecto Hall cuántico 2,5D en el grafito surge como la interacción entre dos fenómenos de los libros de texto de física cuántica:la cuantización de Landau en fuertes campos magnéticos y confinamiento cuántico, lo que lleva a otro nuevo tipo de efecto cuántico."

El mismo equipo continúa ahora con la investigación del grafito para comprender mejor este material sorprendentemente interesante.

Más información: Ciaran Mullan et al, Mezcla de estados de superficie muaré y de volumen en grafito, Naturaleza (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06264-5

Información de la revista: Naturaleza

Proporcionado por la Universidad de Manchester