Un material compuesto por dos capas de carbono de un átomo de espesor ha llamado la atención de los físicos de todo el mundo por sus intrigantes, y potencialmente explotables, propiedades conductoras.
El Dr. Fan Zhang, profesor asistente de física en la Facultad de Ciencias Naturales y Matemáticas de la Universidad de Texas en Dallas, y el estudiante de doctorado en física Qiyue Wang publicaron un artículo en junio con el grupo del Dr. Fengnian Xia en la Universidad de Yale en Fotónica de la naturaleza que describe cómo cambia la capacidad del grafeno bicapa retorcido para conducir la corriente eléctrica en respuesta a la luz del infrarrojo medio.
de una a dos capas
El grafeno es una capa única de átomos de carbono dispuestos en un patrón de panal plano, donde cada hexágono está formado por seis átomos de carbono en sus vértices. Desde el primer aislamiento del grafeno en 2004, sus propiedades únicas han sido estudiadas intensamente por científicos para su uso potencial encomputadoras, materiales y dispositivos avanzados.
Si se apilan dos hojas de grafeno una encima de la otra y se gira una capa de modo que las capas queden ligeramente desalineadas, la configuración física resultante, llamada grafeno de dos capas retorcidas, produce propiedades electrónicas que difieren significativamente de las exhibidas poruna sola capa sola o por dos capas alineadas.
"El grafeno ha sido de interés durante unos 15 años", dijo Zhang. "Una sola capa es interesante de estudiar, pero si tenemos dos capas, su interacción debería producir una física mucho más rica e interesante. Por eso queremosestudiar sistemas de grafeno bicapa ".
Surge un nuevo campo
Cuando las capas de grafeno están desalineadas, surge un nuevo diseño periódico en la malla, llamado patrón muaré. El patrón muaré también es un hexágono, pero puede estar compuesto por más de 10,000 átomos de carbono.
"El ángulo en el que las dos capas de grafeno están desalineadas, el ángulo de torsión, es de vital importancia para las propiedades electrónicas del material", dijo Wang. "Cuanto menor es el ángulo de torsión, mayor es la periodicidad del muaré".
Los efectos inusuales de ángulos de giro específicos en el comportamiento de los electrones fueron propuestos por primera vez en un artículo de 2011 por el Dr. Allan MacDonald, profesor de física en UT Austin, y el Dr. Rafi Bistritzer. Zhang presenció el nacimiento de este campo como estudiante de doctorado enGrupo de MacDonald.
"En ese momento, otros realmente no prestaron atención a la teoría, pero ahora se puede decir que se ha convertido en el tema más candente de la física", dijo Zhang.
En esa investigación de 2011, MacDonald y Bistritzer predijeron que la energía cinética de los electrones puede desaparecer en una bicapa de grafeno desalineada por el llamado "ángulo mágico" de 1,1 grados. En 2018, investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts probaron esta teoría, encontrandoque compensar dos capas de grafeno en 1,1 grados produjo un superconductor bidimensional, un material que conduce la corriente eléctrica sin resistencia y sin pérdida de energía.
En un artículo de 2019 en Science Advances, Zhang y Wang, junto con el grupo de la Dra. Jeanie Lau en la Universidad Estatal de Ohio, demostraron que cuando se compensa en 0.93 grados, el grafeno bicapa retorcido exhibe estados superconductores y aislantes, ampliando así el ángulo mágicosignificativamente.
"En nuestro trabajo anterior, vimos superconductividad y aislamiento. Eso es lo que hace que el estudio del grafeno bicapa retorcido sea un campo tan caliente: la superconductividad. El hecho de que se pueda manipular el carbono puro para convertirlo en superconducto es asombroso y sin precedentes", Wangdijo.
Nuevos hallazgos de UT Dallas
En su investigación más reciente en Nature Photonics, Zhang y sus colaboradores en Yale investigaron si el grafeno de dos capas retorcidas interactúa con la luz del infrarrojo medio, que los humanos no pueden ver pero pueden detectar como calor. "Las interacciones entre la luz y la materia sonútil en muchos dispositivos, por ejemplo, convertir la luz solar en energía eléctrica ", dijo Wang." Casi todos los objetos emiten luz infrarroja, incluidas las personas, y esta luz se puede detectar con dispositivos ".
Zhang es un físico teórico, por lo que Wang y él se propusieron determinar cómo la luz del infrarrojo medio podría afectar la conductancia de los electrones en el grafeno bicapa retorcido. Su trabajo consistió en calcular la absorción de luz basándose en la estructura de bandas del patrón muaré, un concepto quedetermina cómo se mueven los electrones en un material de forma mecánica cuántica.
"Hay formas estándar de calcular la estructura de la banda y la absorción de luz en un cristal normal, pero este es un cristal artificial, así que tuvimos que idear un nuevo método", dijo Wang. Utilizando recursos del Centro de Computación Avanzada de Texas, una instalación de supercomputadoras en el campus de UT Austin, Wang calculó la estructura de la banda y mostró cómo el material absorbe la luz.
El grupo de Yale fabricó dispositivos y realizó experimentos que mostraban que la fotorrespuesta en el infrarrojo medio, el aumento de la conductancia debido al brillo de la luz, era inusualmente fuerte y mayor en el ángulo de giro de 1.8 grados. La fuerte fotorrespuesta desapareció por un giroángulo inferior a 0,5 grados.
"Nuestros resultados teóricos no solo coincidieron bien con los hallazgos experimentales, sino que también apuntaron a un mecanismo que está fundamentalmente conectado al período del patrón muaré, que a su vez está conectado al ángulo de torsión entre las dos capas de grafeno", dijo Zhang.
Paso siguiente
"El ángulo de torsión es claramente muy importante para determinar las propiedades del grafeno bicapa retorcido", agregó Zhang. "Surge la pregunta: ¿podemos aplicar esto para afinar otros materiales bidimensionales para obtener características sin precedentes?¿La fotorrespuesta y la superconductividad en el grafeno bicapa retorcido? Por ejemplo, ¿puede el brillo de una luz inducir o de alguna manera modular la superconductividad? Eso será muy interesante de estudiar ".
"Este nuevo avance permitirá potencialmente una nueva clase de detectores infrarrojos basados en grafeno con alta sensibilidad", dijo el Dr. Joe Qiu, gerente de programa de electrónica de estado sólido y electromagnetismo en la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. ARO, un elementodel Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de los EE. UU. "Estos nuevos detectores tendrán un impacto potencial en aplicaciones como la visión nocturna, que es de importancia crítica para el Ejército de los EE. UU.".
Además de los investigadores de Yale, otros autores incluyeron científicos del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón. El ARO, la Fundación Nacional de Ciencias y la Oficina de Investigación Naval apoyaron el estudio.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Texas en Dallas . Original escrito por Amanda Siegfried. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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