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(noticias nanowerk) Las minas de lápiz comunes exhiben propiedades extraordinarias cuando se dividen en capas tan delgadas como un átomo. Una única capa atómicamente delgada de grafito, conocida como grafeno, es solo una pequeña fracción del ancho de un cabello humano. Bajo el microscopio, el material se asemeja a una malla metálica hecha de átomos de carbono conectados en una red hexagonal.
A pesar de sus dimensiones de panal, los científicos han descubierto a lo largo de los años que el grafeno es excepcionalmente fuerte. Y cuando el material se apila y se retuerce con ciertas distorsiones, puede adoptar un comportamiento electrónico sorprendente.
Las tesis centrales
![patrón romboédrico](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id63885_1.jpg)
Investigación
Ahora, los físicos del MIT han descubierto otra propiedad sorprendente del grafeno: cuando el grafeno se apila en cinco capas en un patrón romboédrico, adopta un estado «multiferroico» muy raro en el que el material exhibe un magnetismo no convencional y un comportamiento electrónico exótico que dio forma al Ferro. -Equipo de Valletricidad.
«El grafeno es un material fascinante», afirma el líder del equipo Long Ju, profesor asistente de física en el MIT. “Cada capa que agregas esencialmente crea un nuevo material. Y ahora vemos por primera vez ferrovalleytricidad y magnetismo no convencional en cinco capas de grafeno. Pero no vemos esta propiedad en una, dos, tres o cuatro capas”.
El descubrimiento podría ayudar a los ingenieros a desarrollar dispositivos de almacenamiento de datos de alta capacidad y consumo ultrabajo para computadoras clásicas y cuánticas.
«Las propiedades multiferroicas de un material significan que si se pudiera ahorrar energía y tiempo escribiendo en un disco duro magnético, también se podría almacenar el doble de información en comparación con los dispositivos tradicionales», afirma Ju.
Su equipo informa su descubrimiento en Naturaleza (“Multiferroicidad orbital en grafeno romboédrico pentacapa”) (puede encontrar una versión de acceso abierto aquí). Los coautores del MIT incluyen al autor principal Tonghang Han, así como a Zhengguang Lu, Tianyi Han y Liang Fu; junto con los colaboradores de la Universidad de Harvard Giovanni Scuri, Jiho Sung, Jue Wang y Hongkun Park; y Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón.
Preferencia por el orden
Un material ferroico es un material que exhibe un comportamiento coordinado en sus propiedades eléctricas, magnéticas o estructurales. Un imán es un ejemplo común de material ferroico: sus electrones pueden coordinarse para girar en la misma dirección sin un campo magnético externo. Como resultado, el imán apunta espontáneamente en una dirección preferida en el espacio.
Otros materiales pueden ser ferroicos de diferentes formas. Sin embargo, se ha descubierto que sólo un puñado de ellos son multiferroicos, un estado raro en el que se pueden coordinar múltiples propiedades para exhibir múltiples estados preferidos. Con los multiferroicos convencionales, sería como si la carga eléctrica, además de la dirección en la que apunta el imán, también se desplazara en una dirección que es independiente de la dirección magnética.
Los materiales multiferroicos son de interés en la electrónica porque potencialmente podrían aumentar la velocidad y reducir los costos de energía de los discos duros. Los discos duros magnéticos almacenan datos en forma de dominios magnéticos, esencialmente imanes microscópicos que se leen como 1 o 0 según la orientación magnética. Los imanes funcionan mediante corriente eléctrica, que consume mucha energía y no puede funcionar rápidamente. Si se pudiera fabricar un dispositivo de memoria a partir de materiales multiferroicos, los dominios podrían conmutarse mediante un campo eléctrico más rápido con una potencia mucho menor.
Ju y sus colegas tenían curiosidad por saber si se produciría un comportamiento multiferro en el grafeno. La estructura extremadamente delgada del material representa un entorno único en el que los investigadores han descubierto interacciones cuánticas que de otro modo estarían ocultas. En particular, Ju se preguntó si el grafeno exhibiría un comportamiento coordinado y multiferroico de sus electrones bajo ciertas condiciones y configuraciones.
«Buscamos entornos donde los electrones se ralentizan, donde sus interacciones con la red atómica circundante son pequeñas, lo que permite que se produzcan sus interacciones con otros electrones», explica Ju. «Entonces tenemos una cierta posibilidad de observar un comportamiento colectivo interesante de los electrones».
El equipo realizó algunos cálculos simples y descubrió que debería ocurrir algún comportamiento coordinado entre los electrones en una estructura hecha de cinco capas de grafeno apiladas en un patrón romboédrico. (Imagínese cinco cercas de alambre apiladas una encima de otra y ligeramente desplazadas para que la estructura se parezca a un patrón de diamante cuando se ve desde arriba).
«En cinco capas, los electrones se encuentran en un entorno reticular donde se mueven muy lentamente, lo que les permite interactuar eficazmente con otros electrones», dice Ju. «Entonces los efectos de correlación de electrones comienzan a dominar y pueden comenzar a coordinarse en ciertos órdenes ferroicos preferidos».
Copos mágicos
Luego, los investigadores fueron al laboratorio para ver si realmente podían observar el comportamiento multiferroico en el grafeno de cinco capas. En sus experimentos, comenzaron con un pequeño bloque de grafito del que quitaron con cuidado escamas individuales. Utilizaron técnicas ópticas para examinar cada escama, buscando específicamente escamas de cinco capas que estuvieran dispuestas naturalmente en un patrón romboédrico.
«Hasta cierto punto, es la naturaleza la que hace la magia», dijo el autor principal y estudiante de posgrado Han. «Y podemos observar todos estos copos y ver cuál tiene cinco capas en este apilamiento romboédrico, lo que debería conducir a este efecto de desaceleración en los electrones».
El equipo aisló varias escamas de cinco capas y las examinó a temperaturas justo por encima del cero absoluto. En condiciones tan ultrafrías, todos los demás efectos, como las perturbaciones inducidas térmicamente dentro del grafeno, deberían atenuarse, permitiendo que surjan interacciones entre electrones. Los investigadores midieron la respuesta de los electrones a un campo eléctrico y a un campo magnético y descubrieron que en realidad surgieron dos órdenes ferroicos, o grupos de comportamientos coordinados.
La primera propiedad ferroica fue un magnetismo poco convencional: los electrones coordinaban sus movimientos orbitales, como planetas que orbitan en la misma dirección. (En los imanes convencionales, los electrones coordinan su “giro”: giran en la misma dirección mientras permanecen relativamente fijos en el espacio).
La segunda propiedad ferroica tenía que ver con el “valle” electrónico del grafeno. En todo material conductor existen ciertos niveles de energía que los electrones pueden ocupar. Un valle representa el estado de energía más bajo que un electrón puede alcanzar naturalmente. Resulta que hay dos posibles valles en el gráfico. Normalmente, los electrones no prefieren ninguno de los valles y se asientan igualmente en ambos.
Sin embargo, con el grafeno de cinco capas, el equipo descubrió que los electrones comenzaron a coordinarse y se asentaron en un valle en lugar del otro. Este segundo comportamiento coordinado sugirió una propiedad ferroica que, combinada con el magnetismo no convencional de los electrones, dio a la estructura un raro estado multiferroico.
«Sabíamos que algo interesante sucedería en esta estructura, pero no sabíamos exactamente qué hasta que lo probamos», dice el coautor Lu, investigador postdoctoral del grupo de Ju. «Es la primera vez que vemos ferro-valleytronics, y también la primera vez que vemos ferro-valleytronics coexistiendo con un ferroimán no convencional».
El equipo demostró que podían controlar ambas propiedades ferroicas utilizando un campo eléctrico. Su hipótesis es que si los ingenieros pudieran integrar grafeno de cinco capas o materiales multiferroicos similares en un chip de memoria, podrían, en principio, usar el mismo campo eléctrico de baja potencia para manipular los electrones del material de dos maneras en lugar de solo una, y efectivamente duplicar los datos que podrían almacenarse en un chip en comparación con los multiferroicos tradicionales. Si bien esta visión aún está lejos de su realización práctica, los hallazgos del equipo abren nuevos caminos en la búsqueda de dispositivos electrónicos, magnéticos y Valleytronic mejores y más eficientes.
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