El grafeno, material milagroso, se adjudica otro superlativo

14.04.2023 - Gran Bretaña

En un artículo publicado en Nature, investigadores de la Universidad de Manchester informan de la magnetorresistencia récord que aparece en el grafeno en condiciones ambientales.

Los materiales que cambian fuertemente su resistividad bajo campos magnéticos son muy buscados para diversas aplicaciones y, por ejemplo, todos los coches y ordenadores contienen muchos sensores magnéticos diminutos. Tales materiales son raros, y la mayoría de los metales y semiconductores cambian su resistividad eléctrica sólo en una fracción minúscula de un porcentaje a temperatura ambiente y en campos magnéticos prácticamente viables (normalmente, en menos de una millonésima parte del 1 %). Para observar una respuesta de magnetorresistencia intensa, los investigadores suelen enfriar los materiales a temperaturas de helio líquido para que los electrones del interior se dispersen menos y puedan seguir trayectorias ciclotrónicas.

Ahora, un equipo de investigación dirigido por el profesor Sir Andre Geim ha descubierto que el bueno y viejo grafeno, que parecía estudiado hasta el último detalle en los dos últimos decenios, muestra una respuesta extraordinariamente fuerte, que supera el 100% en campos magnéticos de imanes permanentes estándar (de unos 1.000 Gauss). Se trata de una magnetorresistividad récord entre todos los materiales conocidos.

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A propósito de este último descubrimiento del grafeno, Sir Andre Geim ha declarado: "Los que trabajamos en el grafeno, como yo mismo, siempre hemos pensado que esta mina de oro de la física debería haberse agotado hace tiempo. El material nos demuestra continuamente que estábamos equivocados al encontrar una nueva encarnación. Hoy tengo que admitir de nuevo que el grafeno ha muerto, larga vida al grafeno".

Para lograrlo, los investigadores utilizaron grafeno de alta calidad y lo ajustaron a su estado intrínseco, virgen, en el que sólo había portadores de carga excitados por la temperatura. Así se creó un plasma de "fermiones de Dirac" de movimiento rápido que mostraban una movilidad sorprendentemente alta a pesar de las frecuentes dispersiones. Tanto la alta movilidad como la neutralidad de este plasma de Dirac son componentes cruciales de la magnetorresistencia gigante de la que se ha informado.

"En los últimos 10 años, la calidad electrónica de los dispositivos de grafeno ha mejorado espectacularmente, y todo el mundo parece centrarse en encontrar nuevos fenómenos a bajas temperaturas de helio líquido, ignorando lo que ocurre en condiciones ambientales. Esto quizá no sea tan sorprendente, porque cuanto más fría esté la muestra, más interesante suele ser su comportamiento. Decidimos subir la temperatura e, inesperadamente, aparecieron toda una serie de fenómenos insospechados", afirma el Dr. Alexey Berdyugin, autor del artículo.

Además de la magnetorresistividad récord, los investigadores también han descubierto que, a temperaturas elevadas, el grafeno neutro se convierte en un "metal extraño". Este es el nombre que reciben los materiales en los que la dispersión de electrones se vuelve en última instancia rápida, estando determinada únicamente por el principio de incertidumbre de Heisenberg. El comportamiento de los metales extraños no se conoce bien y sigue siendo un misterio que se investiga actualmente en todo el mundo.

El trabajo de Manchester añade algo más de misterio a este campo al demostrar que el grafeno exhibe una magnetorresistencia lineal gigante en campos superiores a unos pocos Tesla, que depende débilmente de la temperatura. Esta magnetorresistencia de alto campo vuelve a batir récords.

El fenómeno de la magnetorresistencia lineal ha sido un enigma durante más de un siglo desde que se observó por primera vez. El trabajo actual de Manchester proporciona pistas importantes sobre los orígenes del extraño comportamiento del metal y de la magnetorresistencia lineal. Quizá los misterios puedan resolverse por fin gracias al grafeno, ya que representa un sistema electrónico limpio, bien caracterizado y relativamente sencillo.

"El grafeno de alta calidad sin dopar a temperatura ambiente ofrece la oportunidad de explorar un régimen totalmente nuevo que, en principio, podría haberse descubierto hace una década, pero que todo el mundo había pasado por alto. Tenemos previsto estudiar este régimen de metales extraños y, sin duda, obtendremos más resultados, fenómenos y aplicaciones interesantes", añade Leonid Ponomarenko, uno de los autores principales del artículo de Nature .

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