Una lámina de carbono de un solo átomo de espesor conocida como grafeno tiene propiedades notables por sí sola, pero las cosas pueden volverse aún más interesantes cuando se apilan varias láminas. Cuando dos o más láminas de grafeno superpuestas están ligeramente desalineadas (torcidas en ciertos ángulos entre sí) adquieren una plétora de identidades exóticas. Dependiendo del ángulo de torsión, estos materiales, conocidos como materia cuántica muaré, pueden generar repentinamente sus propios campos magnéticos, convertirse en superconductores con resistencia eléctrica nula o, por el contrario, convertirse en aislantes perfectos.
La ilustración muestra dos bicapas (dos capas dobles) de grafeno que el equipo del NIST empleó en sus experimentos para investigar algunas de las propiedades exóticas del material cuántico muaré. El recuadro de la izquierda proporciona una vista de nivel superior de una parte de las dos bicapas, mostrando el patrón muaré que se forma cuando una bicapa se tuerce en un ángulo pequeño con respecto a la otra.
Crédito: B. Hayes/NIST
Joseph A. Stroscio y sus colegas del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), junto con un equipo internacional de colaboradores, han desarrollado una «regla cuántica» para medir y explorar las extrañas propiedades de estos materiales retorcidos. El trabajo también puede conducir a un nuevo estándar miniaturizado para resistencia eléctrica que podría calibrar dispositivos electrónicos directamente en la fábrica, eliminando la necesidad de enviarlos a un laboratorio de estándares externo.
El colaborador Fereshte Ghahari, físico de la Universidad George Mason en Fairfax, Virginia, tomó dos capas de grafeno (conocido como grafeno bicapa) de unos 20 micrómetros de ancho y las retorció en relación con otras dos capas para crear un dispositivo de materia cuántica muaré. Ghahari fabricó el dispositivo utilizando las instalaciones de nanofabricación del Centro de Ciencia y Tecnología a Nanoescala del NIST. Los investigadores del NIST, Marlou Slot y Yulia Maximenko, luego enfriaron este dispositivo de material retorcido a una centésima de grado por encima del cero absoluto, reduciendo los movimientos aleatorios de átomos y electrones y aumentando la capacidad de interacción de los electrones en el material. Después de alcanzar temperaturas ultrabajas, examinaron cómo cambiaban los niveles de energía de los electrones en las capas de grafeno cuando variaban la fuerza de un fuerte campo magnético externo. Medir y manipular los niveles de energía de los electrones es fundamental para diseñar y fabricar dispositivos semiconductores.
Para medir los niveles de energía, el equipo utilizó un microscopio de efecto túnel de barrido versátil que Stroscio diseñó y construyó en el NIST . Cuando los investigadores aplicaron voltaje a las bicapas de grafeno en el campo magnético, el microscopio registró la pequeña corriente de los electrones que «salieron en túnel» desde el material hasta la punta de la sonda del microscopio.
Esta ampliación de uno de los sitios en el material cuántico muaré muestra los niveles de energía de los electrones en forma de escalera (puntos rojos y azules a la derecha). El fondo de la escalera se asemeja a la energía del papel cuadriculado, lo que indica que el nivel de energía medido puede usarse como una especie de regla cuántica para determinar las propiedades eléctricas y magnéticas del material.
Crédito: B. Hayes/NIST
En un campo magnético, los electrones se mueven siguiendo trayectorias circulares. Normalmente, las órbitas circulares de los electrones en materiales sólidos tienen una relación especial con un campo magnético aplicado: el área encerrada por cada órbita circular, multiplicada por el campo aplicado, sólo puede tomar un conjunto de valores fijos y discretos, debido a la Naturaleza cuántica de los electrones. Para mantener ese producto fijo, si el campo magnético se reduce a la mitad, entonces el área encerrada por un electrón en órbita debe duplicarse. La diferencia de energía entre los sucesivos niveles de energía que siguen este patrón se puede utilizar como marcas en una regla para medir las propiedades electrónicas y magnéticas del material. Cualquier desviación sutil de este patrón representaría una nueva regla cuántica que puede reflejar las propiedades magnéticas orbitales del material de muaré cuántico particular que los investigadores están estudiando.
De hecho, cuando los investigadores del NIST variaron el campo magnético aplicado a las bicapas de grafeno muaré, encontraron evidencia de una nueva regla cuántica en juego. El área encerrada por la órbita circular de los electrones multiplicada por el campo magnético aplicado ya no equivalía a un valor fijo. En cambio, el producto de esos dos números se había desplazado en una cantidad dependiente de la magnetización de las bicapas.
Esta desviación se tradujo en un conjunto de diferentes marcas para los niveles de energía de los electrones. Los hallazgos prometen arrojar nueva luz sobre cómo los electrones confinados en láminas retorcidas de grafeno dan lugar a nuevas propiedades magnéticas.
«Al utilizar la nueva regla cuántica para estudiar cómo varían las órbitas circulares con el campo magnético, esperamos revelar las sutiles propiedades magnéticas de estos materiales cuánticos muaré», dijo Stroscio.
Los electrones del material muaré cuántico quedan atrapados por un potencial eléctrico con forma de cartón de huevos; los electrones se concentran en los valles (estados de menor energía) del cartón.
Crédito: S. Kelley/NIST
En los materiales cuánticos muaré, los electrones tienen una gama de energías posibles (altas y bajas, con forma de cartón de huevos) que están determinadas por el campo eléctrico de los materiales. Los electrones se concentran en los estados de energía más bajos, o valles, del cartón. El gran espacio entre los valles en las bicapas, mayor que el espacio atómico en cualquier capa única de grafeno o en múltiples capas que no están retorcidas, explica algunas de las propiedades magnéticas inusuales que encontró el equipo, dijo el físico teórico del NIST Paul Haney.
Los investigadores, incluidos colegas de la Universidad de Maryland en College Park y el Joint Quantum Institute, una asociación de investigación entre el NIST y la Universidad de Maryland, describieron su trabajo en la edición del 6 de octubre de Science .
Debido a que las propiedades de la materia cuántica muaré se pueden elegir seleccionando un ángulo de torsión específico y un número de capas atómicamente delgadas, las nuevas mediciones prometen proporcionar una comprensión más profunda de cómo los científicos pueden adaptar y optimizar las propiedades magnéticas y electrónicas de los materiales cuánticos para un anfitrión. de aplicaciones en microelectrónica y campos afines. Por ejemplo, ya se sabe que los superconductores ultrafinos son detectores exquisitamente sensibles de fotones individuales, y los superconductores de muaré cuántico se encuentran entre los más delgados.
El equipo del NIST también tiene interés en otra aplicación: en las condiciones adecuadas, la materia cuántica muaré puede proporcionar un estándar nuevo y más fácil de usar para la resistencia eléctrica.
La norma actual se basa en los valores discretos de resistencia que adquiere un material cuando se aplica un fuerte campo magnético a los electrones en una capa bidimensional. Este fenómeno, conocido como efecto Hall cuántico, se origina a partir de los mismos niveles de energía cuantificados de los electrones en las órbitas circulares comentadas anteriormente. Los valores de resistencia discretos se pueden utilizar para calibrar la resistencia en varios dispositivos eléctricos. Pero como se necesita un campo magnético intenso, las calibraciones sólo pueden realizarse en una instalación de metrología como el NIST.
Si los investigadores pudieran manipular la materia muaré cuántica para que tenga una magnetización neta incluso en ausencia de un campo magnético externo aplicado, dijo Stroscio, entonces podría usarse para crear una nueva versión portátil del estándar más preciso para la resistencia, conocido como el estándar anómalo de resistencia cuántica de Hall. Las calibraciones de dispositivos electrónicos podrían realizarse en el sitio de fabricación, lo que podría ahorrar millones de dólares.
— Escrito por Ron Cowen
Artículo: MR Slot, Y. Maximenko, PM Haney, S. Kim, DT Walkup, E. Strelcov, Son T. Le, EM Shih, D. Yildiz, SR Blankenship, K. Watanabe, T. Taniguchi, Y. Barlas, NB Zhitenev, F. Ghahari y JA Stroscio. Una regla cuántica para el magnetismo orbital en la materia cuántica muaré.
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