Los investigadores del MIT descubrieron propiedades únicas del grafito al apilar cinco capas de grafeno en un orden preciso. Este grafeno apilado romboédrico pentacapa puede manifestar características aislantes, magnéticas o topológicas, lo que marca un descubrimiento significativo en la física de materiales utilizando técnicas innovadoras de microscopía a nanoescala.

Aísle escamas delgadas que puedan ajustarse para exhibir tres propiedades importantes.

MIT Los físicos transformaron metafóricamente el grafito, o grafito, en oro aislando cinco hojuelas ultrafinas apiladas en un orden específico. Luego, el material resultante se puede ajustar para exhibir tres propiedades importantes nunca antes 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 la edición del 5 de octubre de la revista. Nanotecnología de la naturaleza. “La naturaleza tiene muchas sorpresas. En este caso, nunca nos damos cuenta de que todas estas cosas interesantes están incrustadas en el graffiti”.

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

El auge de la “Twistronics”

El grafito se compone 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 fue aislado por primera vez hace unos 20 años. Luego, 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 puede impartir nuevas propiedades al material, desde superconductividad hasta magnetismo. Nació el campo de la “twistrónica”.

En el trabajo actual, «descubrimos propiedades interesantes sin ninguna torsión», dice Ju, que también está afiliado al Laboratorio de Investigación de Materiales.

Representación artística de la correlación electrónica, o la capacidad de los electrones para comunicarse entre sí, que puede ocurrir en un tipo especial de grafito (mina de lápiz). Crédito: Sampson Wilcox, Laboratorio de Investigación Electrónica del MIT

Él y sus colegas descubrieron que cinco capas de grafeno dispuestas en un orden determinado 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 Ju.

El grafito en masa (e incluso las láminas individuales de grafeno) son buenos conductores eléctricos, pero eso es todo. El material aislado por Ju y sus colegas, al que llaman grafeno apilado romboédrico pentacapa, se convierte en mucho más que la suma de sus partes.

Un nuevo microscopio y sus descubrimientos.

La clave para aislar el material fue una nuevo microscopio Ju construido en el MIT en 2021 que puede determinar de forma rápida y relativamente económica una variedad de características importantes de un material en el nanoescala. El grafeno apilado en forma de pentacapa romboédrico tiene solo unas pocas milmillonésimas de metro de espesor.

Los científicos, incluido Ju, buscaban grafeno multicapa apilado en un orden muy preciso, conocido como apilamiento romboédrico. Ju dice: “Hay más de 10 órdenes de apilamiento posibles cuando se llega a cinco capas. El romboédrico es sólo uno de ellos”. El microscopio que construyó Ju, conocido como microscopía óptica de barrido de campo cercano de tipo dispersión, o s-SNOM, permitió a los científicos identificar y aislar solo las pentacapas en el orden de apilamiento romboédrico que les interesaba.

Fenómenos materiales multifacéticos

A partir de ahí, 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 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.

El asociado postdoctoral del MIT, Zhengguang Lu, el profesor asistente Long Ju y el estudiante graduado Tonghang Han en el laboratorio. Los tres son autores, junto con otras siete personas, de un artículo en Nature Nanotechnology sobre un tipo especial de grafito (grafito de lápiz). Crédito: Ju Lab

«Descubrimos que el material puede ser aislante, magnético o topológico», afirma Ju. Este último está relacionado tanto con conductores como con aislantes. Básicamente, explica Ju, un material topológico permite el movimiento sin obstáculos de electrones alrededor de los bordes de un material, pero no a través del centro. 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. Por tanto, 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 romboédrico es una plataforma altamente ajustable para estudiar estas nuevas posibilidades de física topológica y fuertemente correlacionada», concluyen Ju y sus coautores en Nanotecnología de la naturaleza.

Referencia: “Aislante correlacionado y aisladores Chern en grafeno apilado romboédrico pentacapa” por Tonghang Han, Zhengguang Lu, Giovanni Scuri, Jiho Sung, Jue Wang, Tianyi Han, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Hongkun Park y Long Ju, 5 de octubre de 2023 , Nanotecnología de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41565-023-01520-1

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 subvención Sloan; la Fundación Nacional de Ciencias de EE.UU.; la Oficina del Subsecretario de Defensa para Investigación e Ingeniería de Estados Unidos; la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia KAKENHI; La primera iniciativa internacional de investigación global de Japón; y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU.