El grafeno da poderes retorcidos al grafito 3D

Apilar dos láminas de grafeno ligeramente torcidas una encima de la otra ha dado lugar en los últimos años a una física fenomenal, incluida la superconductividad sintonizable, la memoria cuántica y nuevos y extraños estados de la materia que implican grupos de electrones "encharcados". El curioso comportamiento de estos sistemas surge con un ángulo de "giro" entre el patrón hexagonal de las dos láminas tan pequeño como 1,1 grados. Y con tanta física nueva surgiendo, las aplicaciones tecnológicas del llamado grafeno bicapa retorcido apenas han comenzado a imaginarse, con misteriosas propiedades térmicas, ópticas, electrónicas, materiales y de otro tipo esperando ser desarrolladas.

Ahora, científicos de Estados Unidos y el Reino Unido han comenzado a explorar los límites exteriores de estos sistemas 2D apilados: ¿Qué pasaría si sólo una de las dos capas de esas bicapas tuviera un átomo de espesor? ¿Cuántas capas se pueden agregar al volumen hasta que desaparezca la magia bicapa? Para sorpresa de estos investigadores, algunas de las propiedades de la bicapa persistieron incluso dentro de gruesas pilas de grafito tridimensional.

Los comportamientos extraños que ahora se observan en el grafito más grafeno están haciendo que los investigadores revisen las propiedades extrañas del grafito simple, como se observa desde la década de 1970.

“Durante algún tiempo se creía que si se trata de un metal con muchas capas, se comporta como si fuera tridimensional”, dice Vladimir Falko, profesor de física teórica en la Universidad de Manchester, en Inglaterra. "Era bastante inusual ver que en una película de grafito tan gruesa fuera posible observar el comportamiento bidimensional".

En su búsqueda por comprender los límites del comportamiento cuántico de las capas delgadas, los equipos de investigación de la Universidad de Washington y la Universidad de Manchester crearon cada uno dos configuraciones ligeramente diferentes. El grupo de la Universidad de Washington cubrió una gruesa pila de grafito con una sola capa de grafeno, torcida en un ligero ángulo. El equipo de la Universidad de Manchester utilizó una pila de grafito similar, pero en su lugar la cubrió con una sola capa de nitruro de boro en estado laminar bidimensional.

Ambos enfoques crean la misma estructura entre las dos capas superiores de su pila: lo que se llama una superred muaré. Se llama superred porque el ángulo no coincidente entre las dos capas añade nuevos tipos de patrones tipo muaré al sistema. Con una capa superior de grafeno retorcido, el desajuste proviene del ángulo de torsión entre las celdas hexagonales de cada hoja, mientras que con una capa superior de nitruro de boro, el desajuste proviene de los espacios de red ligeramente diferentes del nitruro de boro y el grafito debajo.

Cuando se someten a fuertes campos magnéticos, las superredes muaré sufren transformaciones notables debido al enorme aumento del espaciamiento de las redes. En este escenario, un flujo magnético significativamente mayor ahora puede perforar una única plaqueta reticular, transformando aún más las ya extrañas propiedades del material. A medida que se sintoniza el campo, la conductividad de la lámina oscila periódicamente, un fenómeno conocido como oscilaciones de Brown-Zak.

Los investigadores no esperaban que sus gruesas pilas de grafeno con una única capa de superred de muaré en la parte superior exhibieran tales efectos. Después de todo, los fenómenos descritos anteriormente solo se habían observado con un par (o una pequeña serie) de láminas 2D una encima de la otra. Un trozo de grafito en 3D era un terreno completamente nuevo. Y los equipos tenían todos los motivos para sospechar que los extraños comportamientos cuánticos simplemente no se verían en el sistema. Sin embargo, a medida que sintonizaron sus campos magnéticos, los investigadores observaron oscilaciones en la conductividad de toda la pila, oscilaciones Brown-Zak características de los materiales muaré bidimensionales.

"Si tienes 18 capas de grafito y giras sólo una de estas capas 1 grado, en realidad no estás haciendo un cambio estructural muy grande en el material", dice Matthew Yankowitz, quien dirigió el esfuerzo de la Universidad de Washington. “Pero toda la pila de grafito se comporta básicamente como un material muaré, aunque sea un material tridimensional. Así que creo que es una idea nueva y original”.

Si bien las propiedades superconductoras y las fuertes correlaciones electrónicas observadas en superredes muaré bidimensionales no persisten en el material tridimensional, las oscilaciones Brown-Zak observadas por los equipos sugieren que las características extrañas de los sistemas 2D pueden adoptarse incluso dentro del grafito grueso. pilas. Puede haber un camino para reintroducir estas propiedades más fascinantes en materiales a granel, dice Yankowitz.

Además, la persistencia de ciertos comportamientos 2D en estructuras tan gruesas puede explicar algunos comportamientos extraños del grafito que se han observado ya en la década de 1970. "El comportamiento del grafito en un campo magnético muy fuerte ha sido un misterio durante mucho tiempo", afirma Allan MacDonald, físico de la Universidad de Texas en Austin, que no participó en el trabajo. "Y estos nuevos artículos pueden dar una nueva forma de tratar de entender lo que está pasando".

Esto, dice Yankowitz, abre una nueva vía de investigación en el estudio de materiales híbridos dimensionales. "No está claro hacia dónde conducirá esto en este momento, pero es la base para comprender estos nuevos tipos de sistemas híbridos 2D-3D", afirma.

Los dos equipos de investigadores publicaron sus resultados sobre grafeno sobre grafito y nitruro de boro sobre grafito en dos artículos en la revista Nature en julio.