Es difícil creer que un solo material pueda describirse con tantos superlativos como el grafeno. Desde su descubrimiento en 2004, los científicos han descubierto que la hoja de encaje de átomos de carbono en forma de panal, esencialmente el raspado más microscópico de lápizel plomo que pueda imaginar, no es solo el material más delgado conocido en el mundo, sino también increíblemente ligero y flexible, cientos de veces más fuerte que el acero y más conductor de electricidad que el cobre.
Ahora, físicos del MIT y la Universidad de Harvard han descubierto que el material maravilloso puede exhibir propiedades electrónicas aún más curiosas. En dos artículos publicados hoy en Naturaleza , el equipo informa que puede sintonizar el grafeno para que se comporte en dos extremos eléctricos: como un aislante, en el que los electrones están completamente bloqueados para que no fluyan; y como un superconductor, en el que la corriente eléctrica puede fluir sin resistencia.
Investigadores en el pasado, incluido este equipo, han podido sintetizar superconductores de grafeno colocando el material en contacto con otros metales superconductores, una disposición que permite que el grafeno herede algunos comportamientos superconductores. Esta vez, el equipo encontró una manerapara hacer superconducto de grafeno por sí solo, lo que demuestra que la superconductividad puede ser una cualidad intrínseca en el material puramente a base de carbono.
Los físicos lograron esto mediante la creación de una "superrejilla" de dos hojas de grafeno apiladas juntas, no precisamente una encima de la otra, sino rotadas ligeramente, en un "ángulo mágico" de 1,1 grados. Como resultado, la superposición, el patrón de panal hexagonal está ligeramente compensado, creando una configuración muaré precisa que se predice que inducirá extrañas "interacciones fuertemente correlacionadas" entre los electrones en las hojas de grafeno. En cualquier otra configuración apilada, el grafeno prefiere permanecer distinto, interactuando muy poco, electrónicamenteo de lo contrario, con sus capas vecinas.
El equipo, dirigido por Pablo Jarillo-Herrero, profesor asociado de física en el MIT, descubrió que cuando se gira en el ángulo mágico, las dos hojas de grafeno exhiben un comportamiento no conductor, similar a una clase exótica de materiales conocidos como aislantes Mott.Cuando los investigadores aplicaron voltaje, agregando pequeñas cantidades de electrones a la superrejilla de grafeno, encontraron que, en un cierto nivel, los electrones salieron del estado aislante inicial y fluyeron sin resistencia, como a través de un superconductor.
"Ahora podemos usar el grafeno como una nueva plataforma para investigar la superconductividad no convencional", dice Jarillo-Herrero. "Uno también puede imaginar hacer un transistor superconductor con grafeno, que puede encender y apagar, desde superconductor hasta aislante. Eso es.abre muchas posibilidades para los dispositivos cuánticos ".
una brecha de 30 años
La capacidad de un material para conducir electricidad normalmente se representa en términos de bandas de energía. Una sola banda representa un rango de energías que pueden tener los electrones de un material. Hay una brecha de energía entre las bandas, y cuando una banda está llena, un electrón debeincorporan energía extra para superar esta brecha, con el fin de ocupar la siguiente banda vacía.
Un material se considera un aislante si la última banda de energía ocupada está completamente llena de electrones. Los conductores eléctricos como los metales, por otro lado, exhiben bandas de energía parcialmente llenas, con estados de energía vacíos que los electrones pueden llenar para moverse libremente.
Los aislantes Mott, sin embargo, son una clase de materiales que parecen conducir la electricidad a partir de su estructura de bandas, pero cuando se miden, se comportan como aislantes. Específicamente, sus bandas de energía están medio llenas, pero debido a fuertes interacciones electrostáticas entre electrones como cargas de igual signo que se repelen entre sí, el material no conduce electricidad. La banda medio llena esencialmente se divide en dos bandas en miniatura, casi planas, con electrones que ocupan completamente una banda y dejan la otra vacía, y por lo tanto se comportan comoun aislante.
"Esto significa que todos los electrones están bloqueados, por lo que es un aislante debido a esta fuerte repulsión entre los electrones, por lo que nada puede fluir", explica Jarillo-Herrero. "¿Por qué son importantes los aislantes Mott?superconductores de alta temperatura es un aislante Mott. "
En otras palabras, los científicos han encontrado formas de manipular las propiedades electrónicas de los aislantes Mott para convertirlos en superconductores, a temperaturas relativamente altas de aproximadamente 100 Kelvin. Para hacer esto, "dopan" químicamente el material con oxígeno, los átomos deque atraen electrones fuera del aislante Mott, dejando más espacio para que fluyan los electrones restantes.Cuando se agrega suficiente oxígeno, el aislante se transforma en un superconductor.Cómo ocurre exactamente esta transición, dice Jarillo-Herrero, ha sido un misterio de 30 años.
"Este es un problema que lleva 30 años y contando, sin resolver", dice Jarillo-Herrero. "Estos superconductores de alta temperatura han sido estudiados hasta la muerte y tienen muchos comportamientos interesantes. Pero no sabemos cómo explicarlos.ellos."
una rotación precisa
Jarillo-Herrero y sus colegas buscaron una plataforma más simple para estudiar una física tan poco convencional. Al estudiar las propiedades electrónicas del grafeno, el equipo comenzó a jugar con pilas simples de láminas de grafeno. Los investigadores crearon superredes de dos láminas exfoliando primeroun solo copo de grafeno de grafito, luego recogiendo con cuidado la mitad del copo con un portaobjetos de vidrio recubierto con un polímero pegajoso y un material aislante de nitruro de boro.
Luego giraron el portaobjetos de vidrio muy ligeramente y recogieron la segunda mitad de la escama de grafeno, adhiriéndola a la primera mitad. De esta manera, crearon una superrejilla con un patrón de desplazamiento que es distinto de la celosía de panal de abeja original del grafeno.
El equipo repitió este experimento, creando varios "dispositivos" o superredes de grafeno, con varios ángulos de rotación, entre 0 y 3 grados. Conectaron electrodos a cada dispositivo y midieron la corriente eléctrica que pasaba, luego trazaron la resistencia del dispositivo,dada la cantidad de corriente original que pasó.
"Si está desviado en su ángulo de rotación en 0,2 grados, toda la física se ha ido", dice Jarillo-Herrero. "No aparece superconductividad o aislante Mott. Por lo tanto, debe ser muy preciso con el ángulo de alineación".
A 1,1 grados, una rotación que se ha pronosticado como un "ángulo mágico", los investigadores encontraron que la superrejilla de grafeno se parecía electrónicamente a una estructura de banda plana, similar a un aislante Mott, en el que todos los electrones transportan la misma energía independientementede su impulso.
"Imagina que el impulso de un automóvil es la masa multiplicada por la velocidad", dice Jarillo-Herrero. "Si conduces a 30 millas por hora, tienes una cierta cantidad de energía cinética. Si conduces a 60 millas por hora,tienes mucha más energía, y si chocas, podrías deformar un objeto mucho más grande. Esto dice que no importa si vas a 30, 60 o 100 millas por hora, todos tendrían la misma energía ".
"Actual gratis"
Para los electrones, esto significa que, incluso si están ocupando una banda de energía medio llena, un electrón no tiene más energía que cualquier otro electrón, para permitirle moverse en esa banda. Por lo tanto, aunque talLa estructura de banda medio llena debe actuar como un conductor, en cambio se comporta como un aislante, y más precisamente, un aislante Mott.
Esto le dio al equipo una idea: ¿qué pasaría si pudieran agregar electrones a estas superredes tipo Mott, similar a cómo los científicos dopaban los aisladores Mott con oxígeno para convertirlos en superconductores? ¿Asumiría el grafeno cualidades superconductoras a su vez?
Para averiguarlo, aplicaron un pequeño voltaje de compuerta a la "superrejilla de grafeno de ángulo mágico", agregando pequeñas cantidades de electrones a la estructura. Como resultado, los electrones individuales se unieron con otros electrones en el grafeno, lo que les permitió fluir dondeantes de que no pudieran. En todo momento, los investigadores continuaron midiendo la resistencia eléctrica del material y encontraron que cuando agregaban una cierta cantidad pequeña de electrones, la corriente eléctrica fluía sin disipar energía, como un superconductor.
"Puede fluir corriente de forma gratuita, sin desperdiciar energía, y esto demuestra que el grafeno puede ser un superconductor", dice Jarillo-Herrero.
Quizás lo más importante, dice que los investigadores pueden sintonizar el grafeno para que se comporte como un aislante o un superconductor, y cualquier fase intermedia, exhibiendo todas estas propiedades diversas en un solo dispositivo. Esto contrasta con otros métodos, en los quelos científicos han tenido que cultivar y manipular cientos de cristales individuales, cada uno de los cuales puede comportarse en una sola fase electrónica.
"Por lo general, tienes que cultivar diferentes clases de materiales para explorar cada fase", dice Jarillo-Herrero. "Estamos haciendo esto in situ, de una sola vez, en un dispositivo puramente de carbono. Podemos explorar todas esas físicasen un dispositivo eléctricamente, en lugar de tener que fabricar cientos de dispositivos. No podría ser más sencillo ".
Esta investigación fue apoyada en parte por la Fundación Gordon y Betty Moore y la Fundación Nacional de Ciencias.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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