Los físicos del MIT convierten la mina de un lápiz en “oro” | Noticias del MIT

Los físicos del MIT han convertido metafóricamente el grafito, o la mina de un lápiz, en oro aislando cinco copos ultrafinos apilados 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 y líder del trabajo, que está informado en la edición del 5 de octubre de Nanotecnología de la naturaleza. “La naturaleza tiene muchas sorpresas. En este caso, nunca nos dimos cuenta de que todas estas cosas interesantes están incrustadas en grafito”.

Además, añade: "Es muy raro encontrar materiales que puedan albergar tantas propiedades".

El grafito está compuesto 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 se aisló por primera vez hace unos 20 años. Más recientemente, 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.

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 hablen entre sí. Ese fenómeno, conocido como correlación electrónica, "es la magia que hace posibles todas estas nuevas propiedades", dice Ju.

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

Nuevo microscopio

La clave para aislar el material fue una nuevo microscopio Ju construyó en el MIT en 2021 un dispositivo que puede determinar de forma rápida y relativamente económica una variedad de características importantes de un material a nanoescala. El grafeno apilado en forma de pentacapa romboédrico tiene sólo 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. Romboédrico es sólo uno de ellos”. El microscopio que construyó Ju, conocido como microscopía óptica de campo cercano de barrido de tipo dispersión, o s-SNOM, permitió a los científicos identificar y aislar sólo las pentacapas en el orden de apilamiento romboédrico que les interesaba.

Tres en uno

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 les 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.

"Descubrimos que el material podría ser aislante, magnético o topológico", dice Ju. Este último está algo relacionado tanto con los conductores como con los 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 medio. 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. Entonces 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.

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 un postdoctorado 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 Departamento de Física del MIT.

Este trabajo fue apoyado por una beca 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 Iniciativa Internacional de Investigación de primer nivel mundial del Japón; y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU.