Han creado una "regla cuántica" para medir e investigar las peculiares características de estos materiales retorcidos
La ilustración muestra dos bicapas (dos capas dobles) de grafeno que el equipo del NIST empleó en sus experimentos para investigar algunas de las propiedades exóticas del material cuántico moiré. El recuadro de la izquierda muestra una vista superior de una parte de las dos bicapas, en la que se aprecia el patrón de moiré que se forma cuando una de las bicapas se retuerce en un pequeño ángulo con respecto a la otra. Crédito: B. Hayes/NIST
Estos materiales, conocidos como materia cuántica moiré, pueden transformarse en superconductores con resistencia eléctrica cero, aislantes perfectos o producir bruscamente sus campos magnéticos en función del ángulo de torsión.
Joseph A. Stroscio, sus colaboradores del Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST) y un grupo mundial de socios han creado una "regla cuántica" para medir e investigar las peculiares características de estos materiales retorcidos. La investigación también puede dar lugar a un nuevo patrón de resistencia eléctrica en miniatura que podría utilizarse para calibrar dispositivos electrónicos directamente en la línea de producción, evitando la necesidad de enviarlos a un laboratorio de patrones externo.
El colaborador Fereshte Ghahari, físico de la Universidad George Mason de Fairfax (Virginia), fabricó un dispositivo de moiré de materia cuántica utilizando dos capas de grafeno (también conocido como grafeno bicapa) de unos 20 micrómetros de diámetro. Ghahari creó el artilugio en las instalaciones de nanofabricación del Centro de Ciencia y Tecnología a Nanoescala del NIST. Cuando se congeló a una centésima de grado por encima del cero absoluto, el dispositivo de material retorcido creado por las científicas del NIST Marlou Slot y Yulia Maximenko aumentó la capacidad de los electrones del material para interactuar entre sí.
Los científicos utilizaron un versátil microscopio de efecto túnel de barrido para medir los niveles de energía. El microscopio captó la minúscula corriente producida por los electrones que "hacían un túnel" desde el material hasta la punta de la sonda del microscopio cuando los científicos aplicaban un voltaje a las bicapas de grafeno en el campo magnético.
Electrones en moiré cuántico; el material está atrapado por un potencial eléctrico con forma de cartón de huevos; los electrones se concentran en los valles (estados de menor energía) del cartón. Crédito: S. Kelley/NIST
Los científicos del NIST descubrieron indicios de una nueva regla cuántica cuando cambiaron el campo magnético aplicado a las bicapas de grafeno moiré. El área delimitada por la órbita elíptica de los electrones multiplicada por el campo magnético en uso ya no era una cantidad fija. En su lugar, se observaba una diferencia basada en la magnetización de las bicapas en el producto de esas dos cantidades.
Una serie de marcas separadas representaban los niveles de energía de los electrones como resultado de esta discrepancia. La investigación ofrece una nueva perspectiva de cómo las láminas retorcidas de grafeno limitadas por electrones producen características magnéticas novedosas.
Joseph A. Stroscio, del NIST, afirma: "Utilizando la nueva regla cuántica para estudiar cómo varían las órbitas circulares con el campo magnético, esperamos desvelar las sutiles propiedades magnéticas de estos materiales cuánticos moiré".
El físico teórico del NIST Paul Haney dijo: "En los materiales cuánticos moiré, los electrones tienen una gama de energías posibles -altas y bajas, con forma de cartón de huevos- que vienen determinadas por el campo eléctrico de los materiales. Los electrones se concentran en los estados energéticos más bajos o valles del cartón. El gran espaciado entre los valles de las bicapas, mayor que el espaciado atómico de cualquier capa de grafeno o de múltiples capas que no estén retorcidas, explica algunas de las inusuales propiedades magnéticas descubiertas por el equipo."
Las nuevas mediciones prometen proporcionar una comprensión más profunda de cómo los científicos pueden adaptar y optimizar las propiedades magnéticas y electrónicas de los materiales cuánticos para diversas aplicaciones en microelectrónica y campos afines. Las propiedades de la materia cuántica moiré pueden elegirse escogiendo un ángulo de torsión específico y varias capas atómicamente finas. Por ejemplo, los superconductores cuánticos de moiré se encuentran entre los más delicados y ya se sabe que son superconductores ultrafinos susceptibles de detectar fotones individuales.
El grupo del NIST también está intrigado por otra aplicación: en las circunstancias adecuadas, la materia cuántica moiré podría ofrecer una norma nueva y más sencilla para la resistencia eléctrica.
La norma actual se basa en los valores discretos de resistencia que muestra un material en respuesta a la aplicación de un potente campo magnético a los electrones de una capa bidimensional. Los electrones en las órbitas circulares antes mencionadas tienen niveles de energía cuantizados, que son la fuente de este fenómeno, también conocido como efecto Hall cuántico. La resistencia en diferentes dispositivos eléctricos puede calibrarse utilizando los valores discretos de resistencia. Sin embargo, las calibraciones sólo pueden realizarse en un centro de metrología como el NIST porque se requiere un campo magnético intenso.
Según Stroscio, "si los investigadores pudieran manipular la materia cuántica moiré para que tuviera una magnetización neta incluso en ausencia de un campo magnético externo aplicado, entonces podría utilizarse potencialmente para crear una nueva versión portátil del patrón más preciso de resistencia, conocido como patrón de resistencia Hall cuántica anómala". Las calibraciones de los dispositivos electrónicos podrían realizarse en el lugar de fabricación, con el consiguiente ahorro potencial de millones de dólares."
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Fuentes, créditos y referencias:
NIST - M. R. Slot et al, A quantum ruler for orbital magnetism in moiré quantum matter, Science (2023). DOI: 10.1126/science.adf2040. www.science.org/doi/10.1126/science.adf2040
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Fuente:
© Esta nueva regla cuántica ayudará a establecer normas eléctricas
