Los científicos pueden tener objetivos ambiciosos: curar enfermedades, explorar mundos distantes, revoluciones de energía limpia. En la investigación de la física y los materiales, algunos de estos objetivos ambiciosos son hacer objetos que suenen ordinarios con propiedades extraordinarias: cables que puedan transportar energía sin energía.pérdida, o computadoras cuánticas que pueden realizar cálculos complejos que las computadoras de hoy en día no pueden realizar. Y los bancos de trabajo emergentes para los experimentos que nos llevan gradualmente hacia estos objetivos son materiales 2D: láminas de material que tienen una sola capa de átomos de espesor.
En un artículo publicado el 14 de septiembre en la revista Física de la naturaleza , un equipo dirigido por la Universidad de Washington informa que pilas de grafeno cuidadosamente construidas, una forma 2D de carbono, pueden exhibir propiedades electrónicas altamente correlacionadas. El equipo también encontró evidencia de que este tipo de comportamiento colectivo probablemente se relacione con la apariciónde estados magnéticos exóticos.
"Hemos creado una configuración experimental que nos permite manipular electrones en las capas de grafeno de varias formas nuevas e interesantes", dijo el coautor principal Matthew Yankowitz, profesor asistente de física y de ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad de Washington.así como investigador de la facultad en el Instituto de Energía Limpia de la UW.
Yankowitz dirigió el equipo con el coautor principal Xiaodong Xu, profesor de física y de ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad de Washington. Xu también es investigador de la facultad del Instituto de Ciencias e Ingeniería Molecular de la Universidad de Washington, el Instituto de Sistemas de Nanoingeniería de la Universidad de Washington yel Instituto de Energía Limpia de la UW.
Dado que los materiales 2D tienen una capa de átomos de espesor, los enlaces entre los átomos solo se forman en dos dimensiones y las partículas como los electrones solo pueden moverse como piezas en un juego de mesa: de lado a lado, de adelante hacia atrás o en diagonal, pero nohacia arriba o hacia abajo. Estas restricciones pueden imbuir a los materiales 2D con propiedades de las que carecen sus contrapartes 3D, y los científicos han estado investigando hojas 2D de diferentes materiales para caracterizar y comprender estas cualidades potencialmente útiles.
Pero durante la última década, científicos como Yankowitz también han comenzado a colocar capas de materiales 2D, como una pila de panqueques, y han descubierto que, si se apilan y rotan en una configuración particular y se exponen a temperaturas extremadamente bajas, estas capas pueden exhibirpropiedades exóticas e inesperadas.
El equipo de la Universidad de Washington trabajó con bloques de construcción de grafeno bicapa: dos hojas de grafeno en capas juntas de forma natural. Apilaron una bicapa encima de otra, para un total de cuatro capas de grafeno, y las retorcieron para que el diseño de los átomos de carbonoentre las dos bicapas estaban ligeramente desalineadas. Investigaciones anteriores han demostrado que la introducción de estos pequeños ángulos de torsión entre capas individuales o bicapas de grafeno puede tener grandes consecuencias para el comportamiento de sus electrones. Con configuraciones específicas del campo eléctrico y la distribución de carga a través delbicapas apiladas, los electrones muestran comportamientos altamente correlacionados. En otras palabras, todos comienzan a hacer lo mismo, o muestran las mismas propiedades, al mismo tiempo.
"En estos casos, ya no tiene sentido describir lo que está haciendo un electrón individual, sino lo que están haciendo todos los electrones a la vez", dijo Yankowitz.
"Es como tener una habitación llena de gente en la que un cambio en el comportamiento de una persona hará que todos reaccionen de manera similar", dijo el autor principal Minhao He, estudiante de doctorado en física de la Universidad de Washington y ex becario del Instituto de Energía Limpia.
La mecánica cuántica subyace a estas propiedades correlacionadas, y dado que las bicapas de grafeno apiladas tienen una densidad de más de 10 ^ 12, o un billón de electrones por centímetro cuadrado, muchos electrones se comportan colectivamente.
El equipo trató de desentrañar algunos de los misterios de los estados correlacionados en su configuración experimental. A temperaturas de solo unos pocos grados por encima del cero absoluto, el equipo descubrió que podían "sintonizar" el sistema en un tipo de estado aislante correlacionado:- donde no conduciría carga eléctrica. Cerca de estos estados de aislamiento, el equipo encontró focos de estados altamente conductores con características que se asemejan a la superconductividad.
Aunque otros equipos han informado recientemente sobre estos estados, el origen de estas características sigue siendo un misterio. Pero el trabajo del equipo de la UW ha encontrado evidencia para una posible explicación. Encontraron que estos estados parecían estar impulsados por una propiedad de la mecánica cuántica de los electrones llamada"espín": un tipo de momento angular. En regiones cercanas a los estados de aislamiento correlacionados, encontraron evidencia de que todos los espines de electrones se alinean espontáneamente. Esto puede indicar que, cerca de las regiones que muestran estados de aislamiento correlacionados, está emergiendo una forma de ferromagnetismo.- no superconductividad. Pero se necesitarían experimentos adicionales para verificar esto.
Estos descubrimientos son el último ejemplo de las muchas sorpresas que nos esperan al realizar experimentos con materiales 2D.
"Gran parte de lo que estamos haciendo en esta línea de investigación es tratar de crear, comprender y controlar estados electrónicos emergentes, que pueden ser correlacionados o topológicos, o poseer ambas propiedades", dijo Xu. "Podría haber unpodemos hacer mucho con estos estados en el futuro una forma de computación cuántica, un nuevo dispositivo de recolección de energía o algunos tipos nuevos de sensores, por ejemplo y, francamente, no lo sabremos hasta que lo intentemos ".
Mientras tanto, espere que las pilas, las bicapas y los ángulos de giro sigan haciendo olas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Washington . Original escrito por James Urton. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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