Investigadores de IMDEA Nanociencia proponen una expresión analítica para explicar la formación de canales unidimensionales en bicapas de grafeno
La metodología de trabajo en un grupo teórico a menudo implica discusiones frente a los datos para dilucidar cuál es la historia que la naturaleza está tratando de contarnos. Un día, una interesante revelación tuvo lugar en el instituto IMDEA Nanociencia de Madrid.
El Dr. Pierre Pantaleón, investigador del Grupo de Modelización Teórica de IMDEA Nanociencia, estaba discutiendo con el Prof. Paco Guinea -líder del Grupo- sobre el grafeno bicapa tensado, es decir, dos capas de grafeno apiladas una encima de la otra y ligeramente estiradas por una pequeña fuerza. Pierre, un investigador meticuloso, que suele representar sus hallazgos mediante figuras animadas, estaba mostrando al grupo su animación del grafeno tensado cuando Paco, notó una anomalía que había escapado al escrutinio de todos los demás.
Resulta que, cuando el grafeno bicapa se somete a tensión, su zona de Brillouin (la celda unitaria en el espacio de momento) se distorsiona y, finalmente, colapsa en una dirección. Esta distorsión en el punto de colapso provocó un error en el programa de visualización de Pierre, sugiriendo la presencia de algún tipo de singularidad.
En Física, las singularidades, como la que los investigadores estaban observando, exigen una cuidadosa consideración. Podrían indicar que algo anda mal, se desplaza o simplemente requiere un examen más detallado. En ese momento, el Dr. Andreas Sinner, un brillante físico teórico que actualmente trabajaba en la Universidad de Opole en Polonia, se unió al grupo de investigación de Paco y comenzó a investigar junto con Pierre el origen de esta singularidad.
Fue la transformación en el espacio real lo que realmente cautivó su atención: el grafeno tensado dio lugar a la aparición de patrones de moiré unidimensionales casi perfectos —canales unidimensionales— dentro del material bidimensional.
Anteriormente, los científicos habían vislumbrado tales fenómenos a través de microscopios y los habían considerado como errores de diseño, como dislocaciones o materiales adheridos. Véase, por ejemplo, el trabajo de McEuen (Universidad de Cornell), Mendoza (Universidad de Río de Janeiro) o Zhu (Universidad de Columbia). Pero detrás de lo que parecían ser artefactos había efectos enmascarados que los investigadores describen ahora. El equipo de investigación de IMDEA Nanociencia confirma que se trata de un fenómeno natural dentro de las redes hexagonales tipo panal de abeja -como las del grafeno-, que tiene lugar específicamente cuando dos capas se apilan con un ligero ángulo de torsión y se aplica tensión.
Evolución del paisaje energético del grafeno bicapa retorcido en función de la deformación aplicada. Cerca de la deformación crítica se aprecia el colapso de la zona de Brillouin. Imagen: Physical Review Letters
La contribución más significativa de los investigadores radica en su hallazgo de soluciones analíticas para la deformación crítica requerida para generar estos canales unidimensionales. Sorprendentemente, esta solución es bellamente simple, ya que se basa en solo dos variables: el ángulo de torsión y la relación de Poisson, una constante específica del material. Sus hallazgos les llevaron a obtener una única fórmula matemática para describir el fenómeno, y esta fórmula nos da información sobre su origen físico.
La física descrita en su trabajo, publicado en Physical Review Letters, no es nueva, pero la explicación del fenómeno en términos tan simples -una sola expresión analítica- es elegante y única. Los hallazgos abren la puerta a la ingeniería de nuevos materiales en superficies capaces de presentar estos canales unidimensionales. Dentro de estos canales, los electrones se encuentran confinados, en contraste con el movimiento libre que exhiben en el paisaje estándar del grafeno 2D. Los electrones dentro de estos canales exhiben una dirección preferencial de movimiento.
Las implicaciones de este descubrimiento son enormes, con aplicaciones potenciales que se extienden a otros materiales, como los dicalcogenuros, y también pueden extenderse a otras configuraciones geométricas.
El Grupo del Prof. Guinea está investigando activamente las posibilidades del grafeno, en bicapas retorcidas y no retorcidas, lo que incluye la observación de la superconductividad. Se publicó una revisión exhaustiva en Nature Reviews Physics.
Referencia bibliográfica: A. Sinner, P. A. Pantaleón, F. Guinea. Strain-Induced Quasi-1D Channels in Twisted Moiré Lattices. Phys. Rev. Lett. (2023).
https://repositorio.imdeananociencia.org/handle/20.500.12614/3454.
Fotografía de portada: Imagen de benzoix en Freepik
