Un enfocament més senzill per crear materials quàntics


Un enfocament més senzill per crear materials quàntics

Una representació d’un substrat dissenyat amb cura que fa que s’onduli una làmina dipositada de grafè. Aquesta distorsió genera corrents que resideixen només en un costat de l’estructura de la nanoricinta. Crèdit: Võ Tiến Phong

Des que el grafè es va aïllar i caracteritzar per primera vegada a principis dels anys 2000, els investigadors han estat explorant maneres d’utilitzar aquest nanomaterial atòmicament prim a causa de les seves propietats úniques, com ara una alta resistència a la tracció i conductivitat.

En anys més recents, s’ha demostrat que el grafè bicapa retorçat, fet de dues làmines de grafè retorçades a un angle “màgic” específic, té superconductivitat, és a dir, pot conduir l’electricitat amb molt poca resistència. Tanmateix, utilitzar aquest enfocament per fabricar dispositius segueix sent un repte a causa del baix rendiment de la fabricació de grafè de bicapa retorçada.

Ara, un nou estudi mostra com les deformacions periòdiques i modelades d’una sola capa de grafè la transformen en un material amb propietats electròniques vist anteriorment en bicapa de grafè retorçat. Aquest sistema també allotja estats conductors inesperats i interessants addicionals al límit. Mitjançant una millor comprensió de com es produeixen propietats úniques quan les làmines individuals de grafè estan sotmeses a tensió periòdica, aquest treball té el potencial de crear dispositius quàntics com imants orbitals i superconductors en el futur. L’estudi, publicat a Cartes de revisió físicava ser realitzat per l’estudiant de postgrau Võ Tiến Phong i el professor Eugene Mele al Departament de Física i Astronomia de Penn a l’Escola d’Arts i Ciències.

Una alternativa al mètode complex de bicapa retorçada és utilitzar capes individuals de grafè que es col·loquen sobre un substrat amb un disseny acuradament conegut com a “llit d’ungles”, que aplica una força externa, o tensió, de manera periòdica. Per entendre millor les propietats geomètriques quàntiques d’aquest sistema, Mele i Phong es van proposar entendre la teoria subjacent a com es mouen els electrons en aquest sistema d’una sola capa.

Després de córrer simulacions per ordinador d’experiments d’una sola capa, els investigadors es van sorprendre de trobar noves proves de fenòmens inesperats al llarg de la superfície del material, però només al llarg d’un costat. “En general, la topologia a granel s’associa amb les propietats de la superfície i, quan aquest és el cas, totes les superfícies hereten la propietat”, diu Mele. “Aquí, el fet que hi hagués modes de vora a un costat i no a l’altre em va semblar profundament inusual”.

Aquesta troballa va ser inesperada perquè en aquest sistema el camp pseudomagnètic mitjà, induït quan el sistema està tensat, era zero, positiu en una àrea però negatiu en l’altra, cosa que els investigadors van plantejar que anul·laria qualsevol fenomen únic. “Si el camp magnètic és zero, probablement no obtindreu cap física interessant”, diu Phong. “Al contrari, ho hem trobat tot i que la mitjana camp magnètic és zero, encara et dóna una mica de física interessant a la vora”.

Per explicar aquest resultat inesperat, Phong va examinar més de prop un sistema experimental similar on es dobleguen làmines individuals de grafè per simular un camp induït per tensió constant en lloc de periòdica. Phong va trobar que aquest sistema tenia el mateix índex topològic, el que significa que també es produirien els estats de vora que només prosperen en un costat específic del material. “La física aquí era similar i semblava ser l’explicació correcta per a la fenomenologia en què estàvem treballant”, diu Phong.

En general, aquest estudi prediu que les bandes planes, similars a les que es troben en el grafè de bicapa retorçada, es creen dipositant una sola capa atòmicament prima sobre un substrat de llit d’ungles que indueix una distorsió periòdica a la làmina de grafè.

Els investigadors ja estan avançant cap a una comprensió encara més profunda d’aquests sistemes d’una sola capa. Una via d’investigació addicional implica una col·laboració amb el professor ajudant Bo Zhen per estudiar el mateix fenomen mitjançant ones de llum. Els investigadors també estan interessats a veure si altres propietats úniques que existeixen estan retorçades grafè bicapa també pot ocórrer en sistemes d’una sola capa.

“Tot i que la física és senzilla, és a dir, pots aconseguir que el sistema es comporti com vulguis d’una manera més controlada, la fenomenologia que pots treure’n no ho és. És molt rica i encara estem descobrint coses noves. mentre parlem”, diu Phong.

I com que aquests sistemes d’una sola capa són més senzills de treballar, aquesta comprensió teòrica millorada té el potencial d’ajudar en futurs descobriments en el camp de la física de l’estat de la vora, inclosos els possibles nous dispositius com els materials quàntics ultra-petits i increïblement ràpids.

“Ara mateix hi ha un gran esforç per entendre aquests retorçats grafè bicapa, i crec que una pregunta interessant que estem clavant aquí són els ingredients essencials d’un sistema físic que realment podria fer-ho”, diu Mele. “Estem construint estructures artificials que no podríeu construir de dalt a baix a una escala de longitud interessant -més gran que els àtoms, més petit que el que podeu fer amb la litografia- i, si teniu el control d’això, hi ha moltes coses que podeu fer”.


Un cop d’ull a l’interior d’un sandvitx de grafè


Més informació:
Võ Tiến Phong et al, Modes de límit de camps magnètics i pseudomagnètics periòdics al grafè, Cartes de revisió física (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.176406

Citació: Un enfocament més senzill per a la creació de materials quàntics (2022, 4 de maig) recuperat el 5 de maig de 2022 de https://phys.org/news/2022-05-simpler-approach-quantum-materials.html

Aquest document està subjecte a drets d’autor. A part de qualsevol tracte just amb finalitats d’estudis o investigacions privats, no es pot reproduir cap part sense el permís per escrit. El contingut es proporciona només amb finalitats informatives.