En los últimos años, los físicos han descubierto materiales que son capaces de cambiar su carácter eléctrico de un metal a un aislante, e incluso a un superconductor, que es un material en un estado libre de fricción que permite que los electrones fluyan sin resistencia. Estos materiales, que incluyen grafeno de "ángulo mágico" y otros materiales bidimensionales sintetizados, pueden cambiar los estados eléctricos según el voltaje o la corriente de electrones que se aplique.

La física subyacente que impulsa estos materiales intercambiables es un misterio, aunque los físicos sospechan que tiene algo que ver con las "correlaciones electrónicas", o los efectos de la interacción que se siente entre dos electrones cargados negativamente. Estas repulsiones de partículas tienen poco o ningún efecto en la configuración de las propiedades de la mayoría de los materiales. Pero en materiales bidimensionales, estas interacciones cuánticas pueden ser una influencia dominante. Comprender cómo las correlaciones electrónicas impulsan los estados eléctricos puede ayudar a los científicos a diseñar materiales funcionales exóticos, como los superconductores no convencionales.

Ahora, los físicos del MIT y de otros lugares han dado un paso significativo hacia la comprensión de las correlaciones de electrones. En un artículo que aparece hoy en Science , los investigadores revelan evidencia directa de correlaciones de electrones en un material bidimensional llamado grafeno tricapa ABC. Se ha demostrado previamente que este material cambia de un metal a un aislante a un superconductor.

Por primera vez, los investigadores detectaron directamente correlaciones de electrones en un estado aislante especial del material. También cuantificaron las escalas de energía de estas correlaciones, o la fuerza de las interacciones entre electrones. Los resultados demuestran que el grafeno tricapa ABC puede ser una plataforma ideal para explorar y posiblemente diseñar otras correlaciones de electrones, como las que impulsan la superconductividad.

"Una mejor comprensión de la física subyacente de la superconductividad nos permitirá diseñar dispositivos que podrían cambiar nuestro mundo, desde la transmisión de energía sin pérdidas hasta trenes que levitan magnéticamente", dice el autor principal Long Ju, profesor asistente de física en el MIT. "Este material es ahora un campo de juego muy rico para explorar las correlaciones de electrones y construir fenómenos y dispositivos aún más robustos".

Superred

Un grafeno tricapa ABC, apilado sobre una capa de nitruro de boro hexagonal, es similar al grafeno bicapa de ángulo mágico mejor estudiado, en el sentido de que ambos materiales involucran capas de grafeno, un material que se encuentra naturalmente en el grafito y puede exhibir propiedades excepcionales. cuando se aísla en su forma pura. El grafeno está hecho de una red de átomos de carbono dispuestos en un patrón hexagonal, similar a la tela metálica. El nitruro de boro hexagonal, o hBN, tiene un patrón hexagonal similar, ligeramente más grande.

En el grafeno tricapa ABC, tres láminas de grafeno se apilan en el mismo ángulo y ligeramente desplazadas entre sí, como rebanadas de queso en capas. Cuando el grafeno tricapa ABC se asienta sobre hBN en un ángulo de giro de cero grados, la estructura resultante es un patrón muaré, o "superred", formado por pozos de energía periódicos, cuya configuración determina cómo fluyen los electrones a través del material.

“Esta estructura reticular obliga a los electrones a localizarse y prepara el escenario para que las correlaciones de electrones tengan un gran impacto en las propiedades macroscópicas del material”, dice Ju.

Él y sus colegas buscaron probar el grafeno tricapa ABC para obtener evidencia directa de las correlaciones de electrones y medir su fuerza. Primero sintetizaron una muestra del material, creando una superred con pozos de energía, cada uno de los cuales normalmente puede contener dos electrones. Aplicaron suficiente voltaje para llenar cada pozo en la red.

Impulso de electrones

Luego buscaron señales de que el material estaba en un estado ideal para que las correlaciones de electrones dominaran y afectaran las propiedades del material. Específicamente buscaron signos de una estructura de "banda plana", donde todos los electrones tienen casi la misma energía. El equipo razonó que un entorno que albergara electrones con una amplia gama de energías sería demasiado ruidoso para que la diminuta energía de las correlaciones de electrones tuviera efecto. Un entorno más plano y tranquilo permitiría que estos efectos se manifiesten.

El equipo utilizó una técnica óptica única que desarrollaron para confirmar que el material tiene una banda plana. Luego, ajustaron ligeramente el voltaje, de modo que solo un electrón ocupara cada pozo en la red. En este estado "medio lleno", el material se considera un aislante de Mott, un curioso estado eléctrico que debería poder conducir la electricidad como el metal, pero en cambio, debido a las correlaciones de electrones, el material se comporta como un aislante.

Ju y sus colegas querían ver si podían detectar el efecto de estas correlaciones de electrones en un estado aislante Mott medio lleno. Miraron para ver qué pasaría si perturbaran el estado moviendo electrones. Si las correlaciones electrónicas tienen algún efecto, tales perturbaciones de las configuraciones electrónicas encontrarían resistencia, ya que los electrones se repelen naturalmente entre sí. Por ejemplo, un electrón que intenta moverse a un pozo vecino sería empujado hacia atrás por el electrón que ya ocupa ese pozo, incluso si ese pozo técnicamente puede acomodar un electrón adicional.

Para superar esta resistencia, se requeriría un impulso adicional de energía, lo suficiente como para superar la repulsión natural del electrón. El equipo razonó que la magnitud de este impulso sería una medida directa de la fuerza de la correlación de electrones.

Los investigadores suministraron el impulso adicional usando luz. Proyectaron luz de diferentes colores, o longitudes de onda, sobre el material y buscaron un pico, o una única longitud de onda específica que absorbiera el material. Esta longitud de onda correspondía a un fotón con la energía suficiente para enviar un electrón a un pozo vecino medio lleno.

En su experimento, el equipo observó un pico: la primera detección directa de correlaciones de electrones en este material de superred de muaré específico. Luego midieron este pico para cuantificar la energía de correlación, o la fuerza de la fuerza de repulsión del electrón. Determinaron que esto era alrededor de 20 milielectronvoltios, o 1/50 de un electronvoltio.

Los resultados muestran que las fuertes correlaciones de electrones subyacen a la física de este material 2D en particular. Ju dice que el estado aislante de Mott es particularmente importante, ya que es el estado original de la superconductividad no convencional, cuya física sigue siendo ilusoria. Con este nuevo estudio, el equipo ha demostrado que la superred de muaré de grafeno/hBN tricapa ABC es una plataforma ideal para explorar y diseñar los estados eléctricos más exóticos, incluida la superconductividad no convencional.

“Hoy, la superconductividad ocurre solo a temperaturas muy bajas en un entorno realista”, señala Ju, quien dice que la técnica óptica del equipo se puede aplicar a otros materiales 2D para revelar estados exóticos similares. “Si podemos entender el mecanismo de la superconductividad no convencional, tal vez podamos impulsar ese efecto a temperaturas más altas. Este material forma una base para comprender y diseñar dispositivos y estados eléctricos aún más robustos”.

Esta investigación fue apoyada, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación Simons y el programa MIT Skoltech .