Físicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts convierten un lápiz en “oro” electrónico.

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Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) han descubierto propiedades únicas en el grafito al apilar cinco capas de grafeno en una disposición precisa. Este grafeno apilado de cinco capas puede exhibir propiedades aislantes, magnéticas o topológicas, lo que representa un descubrimiento importante en la física de materiales utilizando técnicas innovadoras de microscopía a nanoescala.

Aislamiento de lámina delgada que se puede ajustar para exhibir tres propiedades importantes.

Instituto de Tecnología de Massachusetts En sentido figurado, los físicos han convertido el grafito, o lápiz, en oro aislando cinco hojuelas ultrafinas apiladas en una disposición específica. Luego, el material resultante se puede ajustar para exhibir tres propiedades importantes nunca antes vistas en el grafito natural.

“Es como comprar en un solo lugar”, dice Long Guo, profesor asistente en el Departamento de Física del MIT y líder de la investigación publicada en la edición del 5 de octubre de la revista. Nanotecnología de la naturaleza. “La naturaleza tiene muchas sorpresas. En este caso, nunca nos dimos cuenta de que todas estas cosas interesantes están en grafito.

Además, “es muy raro encontrar materiales que puedan albergar tantas propiedades”, afirma.

El auge de la “Twistronics”

El grafito está hecho de GrafenoEs una sola capa de átomos de carbono dispuestos en formas hexagonales que se asemejan a una estructura de panal. El grafeno, a su vez, ha sido objeto de intensas investigaciones desde que se aisló por primera vez hace unos 20 años. Hace unos cinco años, investigadores, incluido un equipo del MIT, descubrieron que apilar láminas individuales de grafeno y girarlas en un ligero ángulo entre sí podría impartir nuevas propiedades al material, desde superconductividad hasta magnetismo. Así nació el campo de la “twistrónica”.

En el trabajo actual, “descubrimos propiedades interesantes sin ningún tipo de torsión”, dice Gu, que también está afiliado al Laboratorio de Investigación de Materiales.

Artista escénico de enlace electrónico

Una demostración artística de la unión de electrones, o la capacidad de los electrones para comunicarse entre sí, que puede ocurrir en un tipo especial de grafito (lápiz). Fuente de la imagen: Sampson Wilcox, Laboratorio de Investigación Electrónica del MIT

Él y sus colegas descubrieron que cinco capas de grafeno dispuestas en un orden específico permiten que los electrones que se mueven dentro del material se comuniquen entre sí. Este fenómeno, conocido como correlación electrónica, “es la magia que hace posibles todas estas nuevas propiedades”, afirma Joe.

El grafito a granel, e incluso las láminas individuales de grafeno, son buenos conductores eléctricos, pero eso es todo. El material aislado por Gu y sus colegas, al que llaman grafeno apilado de cinco capas, se vuelve mucho mayor que la suma de sus partes.

El nuevo microscopio y sus descubrimientos.

La clave para aislar la materia era A. Nuevo microscopio Joe, del MIT, en 2021 podrá determinar una variedad de propiedades importantes de la materia de forma rápida y relativamente económica. Nanoescala. El grafeno apilado con la capa pentaédrica tiene sólo unas pocas milmillonésimas de metro de espesor.

Los científicos, incluido Gu, buscaban grafeno multicapa apilado en una disposición muy precisa, conocida como apilamiento rómbico. “Hay más de diez órdenes de apilamiento posibles cuando se reduce a cinco capas”, dice Joe. “El romboédrico es sólo uno de ellos”. El microscopio que Joe fabricó, conocido como microscopía óptica de campo cercano de barrido de tipo dispersión, o s-SNOM, permitió a los científicos identificar y aislar solo las cinco capas, cuyo orden de apilamiento rómbico les interesó.

Fenómenos físicos multifacéticos

A partir de ahí, el equipo conectó electrodos a un pequeño sándwich hecho de “pan” de nitruro de boro que protege la fina “carne” del grafeno pentaédrico apilado. Los electrodos les permitieron sintonizar el sistema a diferentes voltajes o diferentes cantidades. El resultado: descubrieron que aparecen tres fenómenos diferentes según la cantidad de electrones que inundan el sistema.

Zhenguang Lu, Long Ju y Tonghang Han

El becario postdoctoral del MIT Zhengguang Lu, el profesor asistente Long Ju y el estudiante graduado Tonghang Han están en el laboratorio. Los tres son autores de un artículo en la revista Nature Nanotechnology sobre un tipo especial de grafito (mina de lápiz), junto con otros siete. Crédito: GoLab

“Descubrimos que la materia puede ser aislante, magnética o topológica”, dice Gu. Este último está relacionado en cierta medida tanto con los conductores como con los aislantes. Joe explica que un material topológico permite el movimiento sin obstáculos de electrones alrededor de los bordes del material, pero no a través del medio. Los electrones se mueven en una dirección a lo largo de una “carretera” en el borde del material separados por un medio que forma el centro del material. Entonces el borde de un material topológico es un conductor perfecto, mientras que el centro es un aislante.

“Nuestro trabajo establece que el grafeno multicapa apilado rómbico es una plataforma altamente ajustable para estudiar estas nuevas posibilidades de la física topológica y fuertemente acoplada”, concluyen Guo y sus coautores en Nanotecnología de la naturaleza.

Referencia: “Aisladores dieléctricos coherentes y Chern en grafeno apilado de cinco capas” por Tonghang Han, Zhenguang Lu, Giovanni Scurri, Jihu Song, Gui Wang, Tian Yi Han, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Hongkun Park y Long Ju, 5 de octubre 2023, Nanotecnología de la naturaleza.
doi: 10.1038/s41565-023-01520-1

Además de Gu, los autores del artículo son Tonghang Han y Zhenguang Lu. Han es un estudiante de posgrado en el Departamento de Física. Lu es becario postdoctoral en el Laboratorio de Investigación de Materiales. Son los primeros autores del artículo.

Otros autores son Giovanni Scurri, Jiho Song, Joy Wang y Hongkun Park de la Universidad de Harvard; Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón, y Tianyi Han del Instituto de Tecnología de Física de Massachusetts.

Este trabajo fue apoyado por una beca Sloan; Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.; Oficina del Subsecretario de Defensa para Investigación e Ingeniería; Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia KAKENHI; La iniciativa de investigación internacional líder en el mundo en Japón; y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU.

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