Una plataforma flexible podría producir materiales enigmáticos y conducir a nuevos estudios de fenómenos exóticos
En una investigación que podría reactivar el interés por una enigmática clase de materiales conocidos como cuasicristales, científicos y colegas del MIT han descubierto una forma relativamente sencilla y flexible de crear nuevas versiones atómicamente delgadas que pueden adaptarse a fenómenos importantes. En un trabajo publicado recientemente, describen cómo hacer precisamente eso para que los materiales exhiban superconductividad y más.
La investigación presenta una nueva plataforma no sólo para aprender más sobre los cuasicristales, sino también para explorar fenómenos exóticos que pueden ser difíciles de estudiar pero que podrían conducir a importantes aplicaciones y nueva física. Por ejemplo, una mejor comprensión de la superconductividad, en la que los electrones atraviesan un material sin resistencia, podría permitir dispositivos electrónicos mucho más eficientes.
El trabajo reúne dos campos previamente desconectados: los cuasicristales y la twistrónica. Esta última es la especialidad de Pablo Jarillo-Herrero, profesor de Física Cecil e Ida Green en el MIT, cuyo avance del grafeno en “ángulo mágico” en 2018 impulsó el campo.
«Es realmente extraordinario que el campo de la twistrónica siga haciendo conexiones inesperadas con otras áreas de la física y la química, en este caso el hermoso y exótico mundo de los cristales cuasiperiódicos», dice Jarillo-Herrero, quien también está afiliado al Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT y al Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT.
Hacer el giro
Twistronics implica capas atómicamente delgadas de materiales colocados uno encima del otro. Al girar o girar una o más de las capas en un ligero ángulo se crea un patrón único llamado superred muaré. Y un patrón muaré, a su vez, tiene un impacto en el comportamiento de los electrones. «Cambia el espectro de niveles de energía disponibles para los electrones y puede proporcionar las condiciones para que surjan fenómenos interesantes», dice Sergio C. de la Barrera, uno de los cuatro coautores del reciente artículo. De la Barrera, que realizó el trabajo durante su postdoctorado en el MIT, es ahora profesor asistente en la Universidad de Toronto.
Un sistema muaré también se puede adaptar a diferentes comportamientos cambiando la cantidad de electrones agregados al sistema. Como resultado, el campo de la twistrónica se ha disparado en los últimos cinco años a medida que investigadores de todo el mundo la han aplicado para crear nuevos materiales cuánticos atómicamente delgados. Los ejemplos del MIT solo incluyen:
- Convertir un material muaré conocido como grafeno bicapa retorcido de ángulo mágico en tres dispositivos electrónicos diferentes y útiles. (Los científicos involucrados en ese trabajo, informado en 2021 , incluyeron a Daniel Rodan-Legrain, co-primer autor del trabajo actual y postdoctorado en física del MIT. Fueron dirigidos por Jarillo-Herrero).
- Ingeniería de una nueva propiedad, la ferroelectricidad, en una conocida familia de semiconductores. (Los científicos involucrados en ese trabajo, informado en 2021 , fueron dirigidos por Jarillo-Herrero).
- Predecir nuevos fenómenos magnéticos exóticos, completo con una “receta” para realizarlos. (Los científicos involucrados en ese trabajo, informado en 2023 , incluyeron al profesor de física del MIT Liang Fu y Nisarga Paul, un estudiante graduado en física del MIT. Tanto Fu como Paul son coautores del artículo actual).
Hacia nuevos cuasicristales
En el trabajo actual, los investigadores estaban jugando con un sistema muaré hecho de tres láminas de grafeno. El grafeno está compuesto por una única capa de átomos de carbono dispuestos en hexágonos que se asemejan a una estructura de panal. En este caso, el equipo colocó tres láminas de grafeno una encima de la otra, pero torció dos de ellas en ángulos ligeramente diferentes.
Para su sorpresa, el sistema creó un cuasicristal, una clase inusual de material descubierto en la década de 1980. Como su nombre lo indica, los cuasicristales están en algún lugar entre un cristal, como un diamante, que tiene una estructura repetitiva regular, y un material amorfo, como el vidrio, «donde los átomos están todos mezclados o dispuestos al azar», dice de la Barrera. En pocas palabras, los cuasicristales «tienen patrones realmente extraños», dice de la Barrera,
Sin embargo, en comparación con los cristales y los materiales amorfos, se sabe relativamente poco sobre los cuasicristales. Esto se debe en parte a que son difíciles de hacer. “Eso no significa que no sean interesantes; simplemente significa que no les hemos prestado tanta atención, particularmente a sus propiedades electrónicas”, dice de la Barrera. La nueva plataforma, que es relativamente sencilla, podría cambiar eso.
Aprendiendo más
Debido a que los investigadores originales no eran expertos en cuasicristales, se acercaron a alguien que sí lo es: el profesor Ron Lifshitz de la Universidad de Tel Aviv. Aviram Uri, uno de los primeros coautores del artículo y becario postdoctoral Pappalardo del MIT y VATAT, fue alumno de Lifshitz durante sus estudios universitarios en Tel Aviv y conocía su trabajo sobre cuasicristales. Lifshitz, ayudó al equipo a comprender mejor lo que estaban mirando, al que llaman cuasicristal muaré.
Luego, los físicos sintonizaron un cuasicristal muaré para hacerlo superconductor, o transmitir corriente sin resistencia alguna por debajo de una cierta temperatura baja. Esto es importante porque los dispositivos superconductores podrían transferir corriente a través de dispositivos electrónicos de manera mucho más eficiente de lo que es posible hoy en día, pero el fenómeno aún no se comprende completamente en todos los casos. El nuevo sistema cuasicristalino muaré ofrece una nueva forma de estudiarlo.
El equipo también encontró evidencia de ruptura de simetría, otro fenómeno que “nos dice que los electrones interactúan entre sí con mucha fuerza. Y como físicos y científicos de materiales cuánticos, queremos que nuestros electrones interactúen entre sí porque ahí es donde ocurre la física exótica”, dice de la Barrera.
Al final, “a través de discusiones entre continentes pudimos descifrar esto y ahora creemos que tenemos una buena idea de lo que está pasando”, dice Uri, aunque señala que “todavía no entendemos completamente el sistema. Todavía hay bastantes misterios”.
La mejor parte de la investigación fue «resolver el enigma de qué era lo que realmente habíamos creado», dice de la Barrera. «Estábamos esperando algo más, así que fue una sorpresa muy agradable cuando nos dimos cuenta de que en realidad estábamos ante algo muy nuevo y diferente».
“Para mí es la misma respuesta”, dice Uri.
