Twistrónica (de giro y electrónica ) es el estudio de cómo el ángulo (el giro) entre capas de materiales bidimensionales puede cambiar sus propiedades eléctricas. [1] [2] Se ha demostrado que materiales como el grafeno bicapa tienen un comportamiento electrónico muy diferente, que va desde no conductor a superconductor , que depende sensiblemente del ángulo entre las capas. [3] [4] El término fue introducido por primera vez por el grupo de investigación de Efthimios Kaxiras en la Universidad de Harvard en su tratamiento teórico de las superredes de grafeno. [1] [5]
En 2007, el físico de la Universidad Nacional de Singapur Antonio H. Castro Neto planteó la hipótesis de que presionar dos láminas de grafeno desalineadas juntas podría producir nuevas propiedades eléctricas, y propuso por separado que el grafeno podría ofrecer una ruta hacia la superconductividad, pero no combinó las dos ideas. [4] En 2010, los investigadores del laboratorio de Eva Andrei en la Universidad Rutgers en Piscataway, Nueva Jersey, descubrieron el grafeno bicapa retorcido a través de su patrón muaré definitorio y demostraron que el ángulo de torsión tiene un fuerte efecto en la estructura de la banda midiendo singularidades de van Hove muy renormalizadas . [7] También en 2010, investigadores de la Universidad Técnica Federico Santa María en Chile encontraron que para un cierto ángulo cercano a 1 grado la banda de la estructura electrónica del grafeno bicapa retorcido se volvía completamente plana, [8] y debido a esa propiedad teórica, sugirieron que el comportamiento colectivo podría ser posible. En 2011, Allan H. MacDonald (de la Universidad de Texas en Austin ) y Rafi Bistritzer, utilizando un modelo teórico simple, descubrieron que para el "ángulo mágico" encontrado anteriormente, la cantidad de energía que un electrón libre requeriría para hacer un túnel entre dos láminas de grafeno cambia radicalmente. [9] En 2017, el grupo de investigación de Efthimios Kaxiras en la Universidad de Harvard utilizó cálculos detallados de mecánica cuántica para reducir la incertidumbre en el ángulo de torsión entre dos capas de grafeno que puede inducir un comportamiento extraordinario de los electrones en este sistema bidimensional. [1] En 2018, Pablo Jarillo-Herrero , un experimentalista del Instituto Tecnológico de Massachusetts , descubrió que el ángulo mágico resultó en las propiedades eléctricas inusuales que MacDonald y Bistritzer habían predicho. [10] A 1,1 grados de rotación a temperaturas suficientemente bajas, los electrones se mueven de una capa a la otra, creando una red y el fenómeno de la superconductividad. [11]
La publicación de estos descubrimientos ha generado una gran cantidad de artículos teóricos que buscan comprender y explicar los fenómenos [12] , así como numerosos experimentos [3] que utilizan diferentes números de capas, ángulos de torsión y otros materiales. [4] [13] Trabajos posteriores mostraron que las propiedades electrónicas de la pila también pueden depender en gran medida de la heterodeformación, especialmente cerca del ángulo mágico [14] [15], lo que permite aplicaciones potenciales en la deformacióntrónica .
Características
Una animación de Twistronics. Aquí tenemos dos hojas superpuestas, una de las cuales gira un total de 90 grados. Vemos que, a medida que cambia el ángulo de rotación, también lo hace la periodicidad.
Superconducción y aislamiento
Las predicciones teóricas de la superconductividad fueron confirmadas por Pablo Jarillo-Herrero y su estudiante Yuan Cao del MIT y colegas de la Universidad de Harvard y el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Tsukuba , Japón. En 2018 verificaron que existía superconductividad en grafeno bicapa donde una capa estaba rotada en un ángulo de 1,1° con respecto a la otra, formando un patrón muaré , a una temperatura de 1,7 K (−271,45 °C; −456,61 °F). [2] [16] [17] Crearon dos dispositivos bicapa que actuaban como aislante en lugar de conductor sin campo magnético. Al aumentar la intensidad del campo, el segundo dispositivo se convirtió en un superconductor.
Un avance adicional en la twistrónica es el descubrimiento de un método para activar y desactivar las rutas superconductoras mediante la aplicación de un pequeño diferencial de voltaje. [18]
Heteroestructuras
También se han realizado experimentos utilizando combinaciones de capas de grafeno con otros materiales que forman heteroestructuras en forma de láminas atómicamente delgadas que se mantienen unidas por la débil fuerza de Van der Waals . [19] Por ejemplo, un estudio publicado en Science en julio de 2019 encontró que con la adición de una red de nitruro de boro entre dos láminas de grafeno, se produjeron efectos ferromagnéticos orbitales únicos en un ángulo de 1,17°, que podrían usarse para implementar memoria en computadoras cuánticas . [20] Estudios espectroscópicos adicionales del grafeno bicapa retorcido revelaron fuertes correlaciones electrón-electrón en el ángulo mágico. [21]
Charco de electrones
Los investigadores de la Universidad del Noreste de Boston descubrieron que, con un grado específico de torsión, se desarrollaría una nueva capa reticular, compuesta únicamente de electrones puros, entre las dos capas elementales bidimensionales. [22] Los efectos cuánticos y físicos de la alineación entre las dos capas parecen crear regiones de "charco" que atrapan a los electrones en una red estable. Como esta red estable está compuesta únicamente de electrones, es la primera red no atómica observada y sugiere nuevas oportunidades para confinar, controlar, medir y transportar electrones.
Ferromagnetismo
Se ha demostrado que una construcción de tres capas, que consta de dos capas de grafeno con una capa bidimensional de nitruro de boro, presenta superconductividad, aislamiento y ferromagnetismo. [23] En 2021, esto se logró en una sola lámina de grafeno. [24]
Véase también
Straintronics : un método para alterar las propiedades de materiales bidimensionales mediante la introducción de tensión controlada
^ abc Carr, Stephen; Massatt, Daniel; Fang, Shiang; Cazeaux, Paul; Luskin, Mitchell; Kaxiras, Efthimios (17 de febrero de 2017). "Twistronics: Manipulación de las propiedades electrónicas de estructuras en capas bidimensionales a través de su ángulo de torsión". Physical Review B . 95 (7): 075420. arXiv : 1611.00649 . Código Bibliográfico :2017PhRvB..95g5420C. doi :10.1103/PhysRevB.95.075420. S2CID 27148700.
^ ab Jarillo-Herrero, Pablo; Kaxiras, Efthimios; Taniguchi, Takashi; Watanabe, Kenji; Colmillo, Shiang; Fatemi, Valla; Cao, Yuan (6 de marzo de 2018). "Superredes de grafeno de ángulo mágico: una nueva plataforma para la superconductividad no convencional". Naturaleza . 556 (7699): 43–50. arXiv : 1803.02342 . Código Bib :2018Natur.556...43C. doi : 10.1038/naturaleza26160. PMID 29512651. S2CID 4655887.
^ ab Gibney, Elizabeth (2019-01-02). "Cómo el grafeno de 'ángulo mágico' está revolucionando la física". Nature . 565 (7737): 15–18. Bibcode :2019Natur.565...15G. doi : 10.1038/d41586-018-07848-2 . PMID 30602751.
^ abc Freedman, David H. (30 de abril de 2019). "Cómo el grafeno retorcido se convirtió en la gran novedad de la física". Quanta Magazine . Consultado el 5 de mayo de 2019 .
^ Tritsaris, Georgios A.; Carr, Stephen; Zhu, Ziyan; Xie, Yiqi; Torrisi, Steven B.; Tang, Jing; Mattheakis, Marios; Larson, Daniel; Kaxiras, Efthimios (30 de enero de 2020). "Cálculos de estructura electrónica de superredes de grafeno multicapa retorcidas". Materiales 2D . 7 (3): 035028. arXiv : 2001.11633 . Código Bib : 2020TDM.....7c5028T. doi :10.1088/2053-1583/ab8f62. S2CID 211004085.
^ "Allan MacDonald gana el premio Wolf en Física | Facultad de Ciencias Naturales". cns.utexas.edu . Consultado el 24 de septiembre de 2024 .
^ Li, Guohong; Luican, A.; Lopes dos Santos, JMB; Castro Neto, AH; Reina, A.; Kong, J.; Andrei, EY (febrero de 2010). "Observación de singularidades de Van Hove en capas de grafeno retorcidas". Nature Physics . 6 (2): 109–113. arXiv : 0912.2102 . Código Bibliográfico :2010NatPh...6..109L. doi :10.1038/nphys1463.
^ Suárez Morell, E.; Correa, JD; Vargas, P.; Pacheco, M.; Barticevic, Z. (13 de septiembre de 2010). "Bandas planas en grafeno bicapa ligeramente retorcido: cálculos de enlaces fuertes". Physical Review B . 82 (12): 121407. arXiv : 1012.4320 . Bibcode :2010PhRvB..82l1407S. doi :10.1103/PhysRevB.82.121407. hdl : 10533/144840 . S2CID 117926220.
^ Bistritzer, Rafi; MacDonald, Allan H. (26 de julio de 2011). "Bandas de muaré en grafeno de doble capa retorcido". Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 108 (30): 12233–12237. arXiv : 1009.4203 . Código Bibliográfico :2011PNAS..10812233B. doi : 10.1073/pnas.1108174108 . PMC 3145708 . PMID 21730173.
^ Cao, Yuan; Fatemi, Valla; Colmillo, Shiang; Watanabe, Kenji; Taniguchi, Takashi; Kaxiras, Efthimios; Jarillo-Herrero, Pablo (5 de marzo de 2018). "Superconductividad no convencional en superredes de grafeno de ángulo mágico". Naturaleza . 556 (7699): 43–50. arXiv : 1803.02342 . Código Bib :2018Natur.556...43C. doi : 10.1038/naturaleza26160. PMID 29512651. S2CID 4655887.
^ Chang, Kenneth (30 de octubre de 2019). "Un nuevo giro en el grafeno pone nerviosos a los científicos de materiales". New York Times . Consultado el 29 de septiembre de 2020 .
^ Freedman, David H. (28 de mayo de 2019). "¿Cuál es la magia detrás del ángulo 'mágico' del grafeno?". Quanta Magazine . Consultado el 28 de mayo de 2019 .
^ "Experimentos exploran los misterios de los superconductores angulares 'mágicos'". Phys.org . 2019-07-31 . Consultado el 2019-07-31 .
^ Bi, Zhen; Yuan, Noah FQ; Fu, Liang (31 de julio de 2019). "Diseño de bandas planas por deformación". Physical Review B . 100 (3): 035448. arXiv : 1902.10146 . Código Bibliográfico :2019PhRvB.100c5448B. doi : 10.1103/PhysRevB.100.035448 . hdl : 1721.1/135558 .
^ Mesple, Florie; Missaoui, Ahmed; Cea, Tommaso; Huder, Loic; Guinea, Francisco; Trambly de Laissardière, Guy; Chapelier, Claude; Renard, Vincent T. (17 de septiembre de 2021). "La heterostrain determina bandas planas en capas de grafeno retorcidas en ángulo mágico". Physical Review Letters . 127 (12): 126405. arXiv : 2012.02475 . Código Bibliográfico :2021PhRvL.127l6405M. doi :10.1103/PhysRevLett.127.126405. PMID 34597066. S2CID 227305789.
^ Cao, Yuan; Fatemi, Valla; Demir, Ahmet; Colmillo, Shiang; Tomarken, Spencer L.; Luo, Jason Y.; Sánchez-Yamagishi, Javier D.; Watanabe, Kenji; Taniguchi, Takashi; Kaxiras, Efthimios; Ashoori, Ray C.; Jarillo-Herrero, Pablo (5 de abril de 2018). "Comportamiento correlacionado del aislante hasta la mitad del llenado en superredes de grafeno de ángulo mágico". Naturaleza . 556 (7699): 80–84. arXiv : 1802.00553 . Código Bib :2018Natur.556...80C. doi : 10.1038/naturaleza26154. PMID 29512654. S2CID 4601086.
^ Wang, Brian (7 de marzo de 2018). "Las superredes de grafeno podrían usarse para transistores superconductores". NextBigFuture.com . Consultado el 3 de mayo de 2019 .
^ "Física retorcida: el grafeno con ángulos mágicos produce patrones conmutables de superconductividad". phys.org . 30 de octubre de 2019 . Consultado el 6 de febrero de 2020 .
^ Universidad de Sheffield (6 de marzo de 2019). "1 + 1 no es igual a 2 para materiales 2-D similares al grafeno". phys.org . Consultado el 1 de agosto de 2019 .
^ Than, Ker (26 de julio de 2019). «Los físicos descubren un nuevo truco cuántico para el grafeno: el magnetismo». phys.org . Consultado el 27 de julio de 2019 .
^ Scheurer, Mathias S. (31 de julio de 2019). "Espectroscopia de grafeno con un toque mágico". Nature . 572 (7767): 40–41. Bibcode :2019Natur.572...40S. doi : 10.1038/d41586-019-02285-1 . PMID 31367024.
^ Castañón, Laura (27 de febrero de 2020). «Los físicos pueden haber descubierto accidentalmente un nuevo estado de la materia». Phys.org . Consultado el 27 de febrero de 2020 .
^ "Un talentoso material 2-D consigue un nuevo trabajo". Phys.org . 4 de marzo de 2020 . Consultado el 4 de marzo de 2020 .
^ Irving, Michael (6 de mayo de 2021). «El ángulo mágico hace que el grafeno sea simultáneamente superconductor y aislante». New Atlas . Consultado el 9 de mayo de 2021 .
