La mina de un lápiz común y corriente posee características extraordinarias cuando se recorta en capas tan delgadas como un átomo. Una única lámina de grafito, del grosor de un átomo y conocida como grafeno, es sólo una pequeña fracción del ancho de un cabello humano y sobre ella, físicos del MIT han encontrado propiedades nunca vistas.
A pesar de sus proporciones, los científicos han descubierto a lo largo de los años que el grafeno es excepcionalmente fuerte. Y cuando el material se apila y se retuerce en contorsiones específicas, puede adoptar un comportamiento electrónico sorprendente. Ahora, han encontrado otra propiedad sorprendente en el grafeno: cuando se apila en cinco capas, en un patrón romboédrico, el grafeno adquiere un estado «multiferroico» muy raro. En esas circunstancia, el material exhibe un magnetismo no convencional y un tipo exótico de comportamiento electrónico.
Los investigadores han convertido metafóricamente el grafito, o la mina de un lápiz, en oro aislando cinco copos ultrafinos apilados en un orden específico. Luego, el material resultante se puede ajustar para exhibir tres propiedades importantes no vistas en el grafito natural. «Es como una ventanilla única», dice Long Ju, profesor asistente en el Departamento de Física del MIT y líder del trabajo publicado en Nature Nanotechnology. “La naturaleza tiene muchas sorpresas. En este caso, nunca nos dimos cuenta de que todas estas cosas interesantes están incrustadas en el grafito”. Además, «es muy raro encontrar materiales que puedan albergar tantas propiedades».
El grafito está compuesto de grafeno, que es una sola capa de átomos de carbono dispuestos en hexágonos 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, recuerda el MIT Materials Research Laboratory.
Descubren nuevas propiedades del grafeno
Hace unos cinco años, diversos investigadores, incluido un equipo del MIT, detectaron que apilar láminas individuales de grafeno y girarlas en un ligero ángulo entre sí puede impartir nuevas propiedades al material. Desde superconductividad hasta magnetismo. A partir de allí nació el campo de la “twistrónica”. En el trabajo actual -explica Ju, afiliado al Laboratorio de Investigación de Materiales- «descubrimos propiedades interesantes en el grafeno sin ninguna torsión».
Ju y sus colegas descubrieron que cinco capas de grafeno dispuestas en un orden determinado permiten que los electrones que se mueven dentro del material hablen entre sí. Ese fenómeno, conocido como correlación electrónica, «es la magia que hace posible estas nuevas propiedades», detalla el experto.
El grafito a granel (e incluso las láminas individuales de grafeno) son buenos conductores eléctricos, pero eso es todo. El material que aislaron, al que llaman grafeno apilado romboédrico pentacapa, se convierte en mucho más que la suma de sus partes.
La clave para aislar el material fue un novedoso microscopio que Ju construyó en el MIT en 2021 y que puede determinar de forma rápida y relativamente económica una variedad de características importantes de un material a nanoescala. El grafeno apilado en forma de pentacapa romboédrico tiene sólo unas pocas milmillonésimas de metro de espesor.
Los científicos buscaban grafeno multicapa apilado en un orden muy preciso, conocido como apilamiento romboédrico. “Hay más de 10 órdenes de apilamiento posibles cuando se llega a cinco capas. Romboédrico es sólo uno de ellos”.
El microscopio que construyó Ju, conocido como microscopía óptica de campo cercano de barrido de tipo dispersión, o s-SNOM, permitió a los científicos identificar y aislar sólo las pentacapas en el orden de apilamiento romboédrico que les interesaba.
Material aislante, magnético o topológico
Desde entonces, el equipo conectó electrodos a un pequeño sándwich compuesto de «pan» de nitruro de boro que protege la delicada «carne» de grafeno apilado romboédrico pentacapa. Los electrodos les permitieron sintonizar el sistema con diferentes voltajes o cantidades de electricidad. El resultado: descubrieron la aparición de tres fenómenos diferentes según la cantidad de electrones que inundan el sistema.
«Descubrimos que el material podría ser aislante, magnético o topológico», indica Ju. Este último está algo relacionado tanto con los conductores como con los aislantes. Básicamente, explica, un material topológico permite el movimiento sin obstáculos de electrones alrededor de los bordes de un material, pero no a través del medio. Los electrones viajan en una dirección a lo largo de una «carretera» en el borde del material separados por una mediana que constituye 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 el grafeno multicapa apilado romboédrico como una plataforma altamente ajustable para estudiar estas nuevas posibilidades de física topológica y fuertemente correlacionada», concluyen Ju.
Además de Ju, los autores del artículo son Tonghang Han y Zhengguang Lu. Han es un estudiante de posgrado en el Departamento de Física; Lu es asociado postdoctoral en el Laboratorio de Investigación de Materiales. Los dos son coautores del artículo.
Otros autores son Giovanni Scuri, Jiho Sung, Jue 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 MIT Physics.
Este trabajo fue apoyado por una beca Sloan, la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos. Así como la Oficina del Subsecretario de Defensa para Investigación e Ingeniería de Estados Unidos.
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