Efectos cuánticos inesperados en el grafeno natural de doble capa

Un equipo internacional de investigación controla la interacción de los portadores de carga

23.08.2022 - Alemania

Un equipo internacional de investigación dirigido por la Universidad de Gotinga ha detectado nuevos efectos cuánticos en estudios de alta precisión del grafeno natural de doble capa y los ha interpretado junto con la Universidad de Texas en Dallas utilizando su trabajo teórico. Esta investigación proporciona nuevos conocimientos sobre la interacción de los portadores de carga y las diferentes fases, y contribuye a la comprensión de los procesos implicados. La LMU de Múnich y el Instituto Nacional de Ciencias de los Materiales de Tsukuba (Japón) también participaron en la investigación. Los resultados se han publicado en Nature.

El novedoso material grafeno, una capa finísima de átomos de carbono, fue descubierto por primera vez por un equipo de investigación británico en 2004. Entre otras propiedades inusuales, el grafeno es conocido por su extraordinaria conductividad eléctrica. Si dos capas individuales de grafeno se retuercen en un ángulo muy específico entre sí, el sistema se vuelve incluso superconductor, es decir, conduce la electricidad sin ninguna resistencia, y presenta otros efectos cuánticos interesantes, como el magnetismo. Sin embargo, la producción de estas dobles capas de grafeno retorcidas ha requerido hasta ahora un gran esfuerzo técnico.

En este novedoso estudio se ha utilizado la forma natural del grafeno de doble capa, que no requiere una fabricación compleja. En un primer paso, la muestra se aísla de un trozo de grafito en el laboratorio mediante una simple cinta adhesiva. Para observar los efectos de la mecánica cuántica, el equipo de Gotinga aplicó entonces un alto campo eléctrico perpendicular a la muestra: la estructura electrónica del sistema cambia y se produce una fuerte acumulación de portadores de carga con energía similar.

A temperaturas justo por encima del cero absoluto de 273,15 grados Celsius, los electrones del grafeno pueden interactuar entre sí, y una variedad de fases cuánticas complejas surgen de forma totalmente inesperada. Por ejemplo, las interacciones hacen que los espines de los electrones se alineen, haciendo que el material sea magnético sin ninguna otra influencia externa. Cambiando el campo eléctrico, los investigadores pueden modificar continuamente la fuerza de las interacciones de los portadores de carga en el grafeno de doble capa. En determinadas condiciones, los electrones pueden ver restringida su libertad de movimiento hasta el punto de formar su propia red de electrones y dejar de contribuir al transporte de carga debido a su interacción repulsiva mutua. El sistema es entonces eléctricamente aislante.

"La investigación futura puede centrarse ahora en investigar otros estados cuánticos", afirman el profesor Thomas Weitz y la estudiante de doctorado Anna Seiler, de la Facultad de Física de la Universidad de Gotinga. "Para acceder a otras aplicaciones, por ejemplo, sistemas informáticos novedosos como los ordenadores cuánticos, los investigadores tendrían que encontrar la forma de conseguir estos resultados a temperaturas más altas. Sin embargo, una de las principales ventajas del sistema actual desarrollado en nuestra nueva investigación reside en la sencillez de la fabricación de los materiales."

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