Nematicity es una nueva pieza en el rompecabezas del diagrama de fases del grafeno de doble capa

Descrita por primera vez en otro estado de la materia llamado cristal líquido, una fase nemática ocurre cuando las partículas de un material rompen una estructura simétrica y comienzan a orientarse libremente a lo largo del mismo eje. Este fenómeno es la base de la pantalla LCD que se usa comúnmente en televisores y monitores de computadora. En una fase nemática electrónica, las partículas en cuestión son electrones, cuyo comportamiento y disposición en un material pueden influir en qué tan bien ese material conducirá una corriente eléctrica en diferentes direcciones.

“Los datos son increíbles”, dice el coautor Rafael Fernandes, físico teórico de la Universidad de Minnesota que conoció al autor principal Abhay Pasupathy como becario postdoctoral en Columbia. «Se puede ver claramente que se está rompiendo la simetría».

Las simetrías rotas a menudo producen nuevos efectos cuánticos, explicó. El grafeno de doble capa de doble torsión generalmente tiene una simetría triple: no importa cuántas veces gire una imagen en giros de 120 grados, permanece igual. Usando microscopía de túnel de barrido y espectroscopía para registrar las propiedades electrónicas de átomos individuales, Rubio-Verdú y sus colegas registraron grafeno retorcido a diferentes voltajes. “Lo que vemos son rayas”, dijo, son electrones que se realinean y rompen la simetría de la muestra, aunque la estructura atómica subyacente sigue siendo la misma. En esta fase nemática observada, la imagen ahora solo se puede girar 180 grados.

“Estas fases surgen de interacciones electrón-electrón”, dijo Rubio-Verdú, becario de acciones Marie Skłodowska-Curie que estudia fases electrónicas en materiales muaré como el grafeno trenzado con Pasupathy. «Encontrar una nueva fase como esta es emocionante porque se suma a nuestra comprensión holística de los sistemas basados ​​en grafeno».

Experimentos anteriores sugirieron que tal fase electrónica correlacionada existía en el grafeno retorcido, pero no estaba claro si esto era realmente el resultado de la deformación a través del material retorcido. La deformación también puede hacer que los electrones se muevan, pero este es un efecto más mecánico que electrónico, explicó Rubio-Verdú. En este experimento, el equipo utilizó una muestra de grafeno retorcido que era relativamente grande pero tenía una tensión extremadamente baja, solo un 0,03 por ciento. “Estamos analizando cientos de nanómetros y el efecto persiste”, dijo Rubio-Verdú. «Esta es una verdadera fase nemática electrónica».

Teóricamente, tal fase podría existir en cualquier material a base de grafeno. En el trabajo futuro, el equipo planea explorar cómo la fase nemática influye en la capacidad del grafeno de doble capa de doble torsión para conducir una corriente eléctrica.

Comprender la gama completa de comportamiento electrónico en materiales muaré como el grafeno retorcido puede algún día ayudar a los físicos a comprender mejor otra fase cuántica, la superconductividad, en la que una corriente eléctrica se mueve a través de un material con resistencia cero. Sin embargo, esta fase ocurre actualmente a temperaturas muy bajas; incluso los llamados superconductores de alta temperatura, utilizados en dispositivos como las máquinas de resonancia magnética, deben mantenerse a casi 100 ° F bajo cero. Aunque los materiales muaré como el grafeno retorcido se estudian a temperaturas cercanas a los -450 ° F, comparten similitudes con los superconductores de alta temperatura, dijo Rubio-Verdú, como los estados superconductores y aislantes que dependen del dopaje electrónico.

El campo todavía está haciendo preguntas fundamentales sobre la naturaleza de los materiales de muaré, pero el descubrimiento de una fase nemática electrónica en el grafeno retorcido de doble capa es solo una pieza más de ese rompecabezas que ahora está en su lugar. “Estamos viendo nematicidad electrónica en otra clase de compuestos”, dijo Fernandes. «A medida que la gente está descubriendo todo tipo de formas diferentes de retorcer diferentes capas, ahora queremos descubrir qué es común y sólido».