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Trabajar en un grupo teórico a menudo requiere conversaciones frente a los datos para aclarar la narrativa que la naturaleza intenta transmitir. Recientemente se realizó un descubrimiento fascinante en el Instituto IMDEA Nanociencia, con sede en Madrid.
Dos capas de grafeno que se apilan una encima de la otra y se separan ligeramente mediante una pequeña fuerza se denominan bicapa de grafeno tensa. Dr. Pierre Pantaleón, investigador del grupo de Modelización Teórica de IMDEA Nanociencia, estaba hablando de este material con el Prof. Paco Guinea, líder del grupo, cuando Paco observó una irregularidad que había pasado desapercibida para todos los demás; Pierre demostró al grupo su representación animada de grafeno tenso.
Resulta que la zona de Brillouin (la celda unitaria en el espacio de momento) de la bicapa de grafeno está distorsionada y eventualmente colapsa en una dirección cuando está bajo tensión. Una inexactitud en el programa de visualización de Pierre sugirió la existencia de una singularidad debido a la distorsión en el punto de colapso.
Singularidades como la estudiada por los investigadores requieren una seria consideración en física. Podrían indicar que algo anda mal, que está cambiando o que es necesario realizar más investigaciones. El grupo de estudio de Paco en este momento incluía al Dr. Andreas Sinner, un talentoso físico teórico que trabajó en la Universidad de Opole en Polonia, y ellos, junto con Pierre, comenzaron a investigar el origen de la singularidad.
Lo que llamó su atención fue la transformación simultánea en el espacio real: el grafeno tenso del material bidimensional condujo a la creación de patrones muaré unidimensionales o canales unidimensionales casi impecables.
Utilizando microscopios, los científicos habían observado anteriormente sucesos similares y los descartaron como defectos de diseño, como materiales adherentes o dislocaciones. Tomemos como ejemplos el trabajo de McEuen (Universidad de Cornell), Mendoza (Universidad de Río de Janeiro) o Zhu (Universidad de Columbia).
Sin embargo, los investigadores ahora están revelando impactos enmascarados que estaban ocultos detrás de lo que parecían ser artefactos. Según el equipo de estudio de IMDEA Nanociencia, se trata de un fenómeno natural que se produce en redes alveolares hexagonales, como las que se encuentran en el grafeno. En particular se cargan dos capas que están dispuestas con un pequeño ángulo de torsión.
El hallazgo más importante de los investigadores son las soluciones analíticas que encontraron para el voltaje requerido para crear estos canales unidimensionales. Esta solución es sorprendentemente sencilla y depende sólo de dos variables: el ángulo de torsión y el índice de Poisson, una constante única para cada material.
Como resultado de su investigación, han desarrollado una fórmula matemática única que describe el fenómeno y arroja luz sobre su base física.
Aunque los físicos los explican en su estudio publicado en Cartas de examen físico, no es nueva, pero sí lo es su explicación elegante y única del fenómeno en términos tan simples, una única expresión analítica. Los resultados allanaron el camino para el desarrollo de nuevos materiales en superficies con canales unidimensionales.
A diferencia de su movilidad ilimitada en el típico entorno de grafeno 2D, los electrones en estos canales están restringidos. Estos canales indican una dirección de movimiento preferida para los electrones.
Este hallazgo tiene implicaciones de gran alcance, ya que sus posibles aplicaciones pueden extenderse a otros materiales como los dicalcogenuros y otras disposiciones geométricas.
El grupo del profesor Guinea está actualmente inmerso en una investigación exhaustiva del potencial del grafeno en bicapas retorcidas y no retorcidas, incluido el descubrimiento de la superconductividad. Se acaba de publicar un análisis detallado en la revista Naturaleza Reseñas Física.
Este trabajo es resultado del Grupo de Modelización Teórica de IMDEA Nanociencia, que desde entonces ha recibido financiación del programa español Materiales avanzadoslas subvenciones regionales NMAT2D y MAD2D y el buque insignia de grafeno de la UE.
Referencia de la revista:
Pecador, A., et al. (2023) Canales cuasi-1D inducidos por tensión en rejillas de muaré retorcidas. Cartas de examen físico. doi:10.1103/PhysRevLett.131.166402
Pantaleón, PA, et al. (2023) Superconductividad y fases correlacionadas en grafeno bicapa y tricapa sin torcer. Naturaleza Reseñas Física. doi:10.1038/s42254-023-00575-2
Fuente: https://nanociencia.imdea.org/
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