Desde el descubrimiento del grafeno en 2004, los científicos han buscado formas de poner en funcionamiento este talentoso material 2D atómicamente delgado. Más delgado que una hebra de ADN pero 200 veces más fuerte que el acero, el grafeno es un excelente conductor de electricidad y calor,y puede ajustarse a cualquier cantidad de formas, desde una hoja 2D ultradelgada hasta un circuito electrónico.
El año pasado, un equipo de investigadores dirigido por Feng Wang, un científico de la facultad en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y profesor de física en UC Berkeley, desarrolló un dispositivo de grafeno multitarea que cambia de un superconductor que conduce electricidad eficientemente a un aislanteque resiste el flujo de corriente eléctrica y vuelve a un superconductor.
Ahora, como se informó hoy en el diario Naturaleza , los investigadores han aprovechado el talento de su sistema de grafeno para hacer malabares no solo con dos propiedades, sino también con tres: superconductores, aislantes y un tipo de magnetismo llamado ferromagnetismo. El dispositivo multitarea podría hacer posibles nuevos experimentos de física, como la investigación en la búsquedade un circuito eléctrico para una electrónica más rápida y de próxima generación, como las tecnologías de computación cuántica.
"Hasta ahora, los materiales que muestran simultáneamente propiedades superconductoras, aislantes y magnéticas han sido muy raros. Y la mayoría de la gente creía que sería difícil inducir el magnetismo en el grafeno, porque generalmente no es magnético. Nuestro sistema de grafeno es el primero en combinarlas tres propiedades en una sola muestra ", dijo Guorui Chen, investigador postdoctoral en el Grupo de nano-óptica ultrarrápida de Wang en UC Berkeley, y autor principal del estudio.
Uso de electricidad para activar el potencial oculto de grafeno
El grafeno tiene un gran potencial en el mundo de la electrónica. Su estructura atómicamente delgada, combinada con su robusta conductividad electrónica y térmica, "podría ofrecer una ventaja única en el desarrollo de dispositivos de almacenamiento de memoria y electrónica de próxima generación", dijo Chen, quien también trabajó como investigador postdoctoral en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab en el momento del estudio.
El problema es que los materiales magnéticos utilizados en la electrónica hoy en día están hechos de metales ferromagnéticos, como aleaciones de hierro o cobalto. Los materiales ferromagnéticos, como el imán de barra común, tienen un polo norte y un polo sur. Cuando se utilizan materiales ferromagnéticos para almacenardatos en el disco duro de una computadora, estos polos apuntan hacia arriba o hacia abajo, representando ceros y unos, llamados bits.
Sin embargo, el grafeno no está hecho de un metal magnético, está hecho de carbono.
Entonces, a los científicos se les ocurrió una solución creativa.
Diseñaron un dispositivo ultrafino, de solo 1 nanómetro de grosor, que presenta tres capas de grafeno atómicamente delgado. Cuando se intercalan entre capas 2D de nitruro de boro, las capas de grafeno, descritas como grafeno de tres capas en el estudio, forman un patrón repetitivo llamadouna superrejilla de moiré.
Al aplicar voltajes eléctricos a través de las compuertas del dispositivo de grafeno, la fuerza de la electricidad impulsó a los electrones en el dispositivo a circular en la misma dirección, como pequeños autos que corren alrededor de una pista. Esto generó un impulso contundente que transformó el dispositivo de grafeno en un ferromagnéticosistema.
Más mediciones revelaron un sorprendente nuevo conjunto de propiedades: el interior del sistema de grafeno no solo se había vuelto magnético sino también aislante; y a pesar del magnetismo, sus bordes exteriores se transformaron en canales de corriente electrónica que se mueven sin resistencia. Estas propiedades caracterizan una clase rarade los aisladores conocidos como aisladores de Chern, dijeron los investigadores.
Aún más sorprendente, los cálculos del coautor Ya-Hui Zhang del Instituto de Tecnología de Massachusetts revelaron que el dispositivo de grafeno no solo tiene uno, sino dos bordes conductores, lo que lo convierte en el primer "aislante Chern de alto orden" observado.consecuencia de las fuertes interacciones electrón-electrón en el grafeno de tres capas.
Los científicos han estado persiguiendo a los aisladores Chern en un campo de investigación conocido como topología, que investiga estados exóticos de la materia. Los aisladores Chern ofrecen nuevas formas potenciales de manipular información en una computadora cuántica, donde los datos se almacenan en bits cuánticos, oqubits: un qubit puede representar un uno, un cero o un estado en el que es tanto uno como cero al mismo tiempo.
"Nuestro descubrimiento demuestra que el grafeno es una plataforma ideal para estudiar física diferente, desde física de una sola partícula hasta superconductividad, y ahora física topológica para estudiar fases cuánticas de materia en materiales 2D", dijo Chen. "Es emocionante queahora puede explorar la nueva física en un pequeño dispositivo de solo 1 millonésima de milímetro de grosor "
Los investigadores esperan realizar más experimentos con su dispositivo de grafeno para comprender mejor cómo surgió el aislante / imán de Chern, y la mecánica detrás de sus propiedades inusuales.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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