El trabajo, publicado en la edición del 10 de mayo de Science, es uno de varios descubrimientos importantes realizados por el mismo equipo durante el año pasado sobre un material que es una forma única de grafeno.

"Este descubrimiento tiene implicaciones directas para los dispositivos electrónicos de baja potencia porque no se pierde energía durante la propagación de los electrones, lo que no ocurre en los materiales normales donde los electrones se dispersan", dice Long Ju, profesor asistente en el Departamento de Física. y autor correspondiente del artículo de Science.

El fenómeno es similar a los automóviles que circulan por una autopista de peaje abierta, a diferencia de los que circulan por los vecindarios. Los autos del vecindario pueden ser detenidos o reducidos por otros conductores que hacen paradas abruptas o giros en U que interrumpen un viaje que de otro modo sería fluido.

Un nuevo material

El material detrás de este trabajo, conocido como grafeno pentacapa romboédrico, fue descubierto hace dos años por físicos liderados por Ju. "Encontramos una mina de oro y cada primicia revela algo nuevo", dice Ju, que también está afiliado al Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT.

En un artículo de Nature Nanotechnology del pasado mes de octubre, Ju y sus colegas informaron del descubrimiento de tres propiedades importantes que surgen del grafeno romboédrico. Por ejemplo, demostraron que podría ser topológico o permitir el movimiento sin obstáculos de electrones alrededor del borde del material pero no a través del medio. El resultado fue una superautopista, pero requirió la aplicación de un gran campo magnético unas decenas de miles de veces más fuerte que el campo magnético de la Tierra.

En el trabajo actual, el equipo informa que la superautopista se creó sin ningún campo magnético.

Tonghang Han, estudiante de posgrado en física del MIT, es uno de los primeros autores del artículo. “No somos los primeros en descubrir este fenómeno general, pero lo hicimos en un sistema muy diferente. Y en comparación con los sistemas anteriores, el nuestro es más sencillo y también admite más canales de electrones”. Explica Ju, “otros materiales sólo pueden soportar un carril de tráfico en el borde del material. De repente lo aumentamos a cinco”.

Otros coautores del artículo que contribuyeron igualmente al trabajo son Zhengguang Lu y Yuxuan Yao. Lu es un postdoctorado en el Laboratorio de Investigación de Materiales. Yao realizó el trabajo como estudiante universitario visitante de la Universidad de Tsinghua. Otros autores son el profesor de física del MIT Liang Fu; Jixiang Yang y Junseok Seo, ambos estudiantes graduados en física del MIT; Chiho Yoon y Fan Zhang de la Universidad de Texas en Dallas; y Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón.

Cómo funciona

El grafito, el componente principal de la mina de un lápiz, está compuesto de muchas capas de grafeno, una sola capa de átomos de carbono dispuestos en hexágonos que se asemejan a una estructura de panal. El grafeno romboédrico se compone de cinco capas de grafeno apiladas en un orden superpuesto específico.

Ju y sus colegas aislaron el grafeno romboédrico gracias a un novedoso microscopiohttps://news.mit.edu/2021/custom-made-s-snom-probes-materials-nanoscale-0713que Ju construyó en el MIT en 2021 y 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.

En el trabajo actual, el equipo modificó el sistema original añadiendo una capa de disulfuro de tungsteno (WS 2 ). "La interacción entre el WS ₂  y el grafeno romboédrico pentacapa dio como resultado esta superautopista de cinco carriles que opera con un campo magnético cero", dice Ju.

Comparación con la superconductividad

El fenómeno que el grupo Ju descubrió en el grafeno romboédrico y que permite a los electrones viajar sin resistencia en un campo magnético cero se conoce como efecto Hall anómalo cuántico. La mayoría de la gente está más familiarizada con la superconductividad, un fenómeno completamente diferente que hace lo mismo pero ocurre en materiales muy diferentes.

Ju señala que, aunque los superconductores se descubrieron en la década de 1910, se necesitaron unos 100 años de investigación para lograr que el sistema funcionara a las temperaturas más altas necesarias para las aplicaciones. "Y el récord mundial todavía está muy por debajo de la temperatura ambiente", señala.

De manera similar, la superautopista romboédrica de grafeno opera actualmente a aproximadamente 2 kelvin o -456 grados Fahrenheit. “Se necesitará mucho esfuerzo para elevar la temperatura, pero como físicos, nuestro trabajo es proporcionar información; una forma diferente de realizar este [fenómeno]”, dice Ju.

Muy emocionante

Los descubrimientos relacionados con el grafeno romboédrico se produjeron como resultado de una investigación minuciosa que no estaba garantizada para funcionar. "Probamos muchas recetas durante muchos meses", dice Han, "así que fue muy emocionante cuando enfriamos el sistema a una temperatura muy baja y [una autopista de cinco carriles que operaba con un campo magnético cero] simplemente apareció".

Ju dice: "Es muy emocionante ser el primero en descubrir un fenómeno en un nuevo sistema, especialmente en un material que descubrimos".

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; y la Iniciativa Internacional de Investigación World Premier de Japón.

Autor