El grafeno bicapa retorcido baila con la luz
Cómo la luz y los electrones se mueven en concierto en el material cuando se ilumina con luz infrarroja
Cuando se colocan dos capas de grafeno, una sobre otra, y se retuercen entre ellas un ángulo muy pequeño, se forma un "patrón de muaré" y se ha comprobado que las propiedades físicas del sistema cambian drásticamente. En particular, cerca del ángulo "mágico" de 1 grado, los electrones se ralentizan drásticamente, favoreciendo las interacciones entre ellos. Estas interacciones dan lugar a un nuevo tipo de superconductividad y a fases aislantes en el grafeno bicapa retorcido. Junto con otras muchas propiedades fascinantes descubiertas en los últimos tres años, este material ha demostrado mostrar fenómenos físicos extremadamente ricos, pero lo más importante es que ha demostrado ser un material cuántico fácilmente controlable. Ahora bien, aunque este material hecho de carbono ha exhibido esta asombrosa diversidad de estados, la interacción entre el grafeno bicapa trenzado y la luz ha demostrado tener resultados fascinantes a nivel teórico, pero hasta ahora ningún experimento ha sido capaz de mostrar claramente cómo funciona esta interacción.
Visualización artística de las excitaciones colectivas interbandas en el grafeno bicapa retorcido.
ICFO/Matteo Ceccanti
En un trabajo reciente publicado en Nature Physics, los investigadores del ICFO Niels Hesp, Iacopo Torre, David Barcons-Ruiz y Hanan Herzig Sheinfux, dirigidos por el profesor ICREA del ICFO Frank Koppens, en colaboración con los grupos de investigación del prof. Pablo Jarillo-Herrero (MIT), el Prof. Marco Polini (Universidad de Pisa), el Prof. Efthimios Kaxiras (Harvard), el Prof. Dmitri Efetov (ICFO) y el NIMS (Japón), han descubierto que el grafeno bicapa retorcido puede utilizarse para guiar y controlar la luz a escala nanométrica. Esto es posible gracias a la interacción entre la luz y el movimiento colectivo de los electrones en el material.
Aprovechando las propiedades de los plasmones, en los que los electrones y la luz se mueven juntos como una onda coherente, los científicos pudieron observar que los plasmones se propagan en el material, estando fuertemente confinados en él, hasta la nanoescala. Además, al observar los inusuales fenómenos ópticos colectivos que se producen en el material, pudieron entender el tipo de propiedades peculiares de los electrones. Esta observación de la luz que se propaga, confinada a la nanoescala, puede utilizarse como plataforma para la detección óptica de gases y biomoléculas.
Para obtener los resultados de este descubrimiento, el equipo utilizó un microscopio de campo cercano, que permite sondear las propiedades ópticas con una resolución espacial de 20 nanómetros, una resolución que supera el límite de difracción. En resumen, los científicos tomaron dos capas de grafeno, las pusieron una encima de la otra, mientras las retorcían cerca del ángulo mágico y luego, a temperatura ambiente, iluminaron el material con luz infrarroja en un punto de tamaño nanométrico. Comprobaron que los plasmones se comportaban de forma muy diferente a los habituales, por ejemplo, en los metales o el grafeno, y esta desviación está relacionada con un movimiento peculiar de los electrones dentro de la superred de moiré del grafeno bicapa.
Este trabajo pone la primera piedra en los estudios nanoópticos sobre las fases exóticas del grafeno bicapa retorcido a bajas temperaturas. En particular, demuestra que el grafeno bicapa retorcido es un notable material nanofotónico, especialmente porque sirve como anfitrión intrínseco (no se requiere voltaje externo) de excitaciones colectivas.
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