Twistronics (de torsión y electrónica ) es el estudio de cómo el ángulo (torsión) 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, desde no conductivo 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]
Historia
En 2007, el físico de la Universidad Nacional de Singapur Antonio Castro Neto planteó la hipótesis de que presionar dos hojas 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, 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 volvió completamente plana, [6] y debido a esa propiedad teórica, sugirieron que el comportamiento colectivo podría ser posible. En 2011, Allan MacDonald y Rafi Bistritzer, utilizando un modelo teórico simple, encontraron 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. [7] En 2017, el grupo de investigación de Efthimios Kaxiras de 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 pueden inducir un comportamiento extraordinario de los electrones en este sistema bidimensional. [1] En 2018, Pablo Jarillo-Herrero , un experimentalista del MIT , descubrió que el ángulo mágico daba como resultado las propiedades eléctricas inusuales que los científicos de UT Austin habían predicho. [8] 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 superconductividad. [9]
La publicación de estos descubrimientos ha generado una gran cantidad de artículos teóricos que buscan comprender y explicar los fenómenos [10] , así como numerosos experimentos [3] utilizando un número variable de capas, ángulos de torsión y otros materiales. [4] [11]
Caracteristicas
Superconducción y aislamiento
Las predicciones teóricas de la superconductividad fueron confirmadas por Pablo Jarillo-Herrero y su alumno 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 el grafeno bicapa donde una capa se rotaba en un ángulo de 1,1 ° con respecto a la otra, formando un patrón de muaré , a una temperatura de 1,7 K (-271,45 ° C; -456,61 ° F). [2] [12] [13] Crearon dos dispositivos bicapa que actuaban como un aislante en lugar de un conductor bajo un campo magnético. El aumento de la intensidad del campo convirtió al segundo dispositivo en un superconductor.
Un avance adicional en twistronics es el descubrimiento de un método para encender y apagar las rutas superconductoras mediante la aplicación de un pequeño diferencial de voltaje. [14]
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 . [15] Por ejemplo, un estudio publicado en Ciencia en julio de 2,019 mil encontrado que con la adición de un nitruro de boro celosía entre dos láminas de grafeno, único ferromagnéticos orbitales efectos se producen a un 1,17 ° de ángulo, lo que podría ser utilizado para implementar la memoria en cuántica computadoras . [16] Otros estudios espectroscópicos de grafeno bicapa retorcido revelaron fuertes correlaciones electrón-electrón en el ángulo mágico. [17]
Charco de electrones
Entre las capas bidimensionales del seleniuro de bismuto y un dicalcogenuro, los investigadores de la Northeastern University de Boston descubrieron que a grados específicos de torsión se desarrollaría una nueva capa reticular, que constaba únicamente de electrones puros, entre las dos capas elementales bidimensionales. [18] Los efectos cuánticos y físicos de la alineación entre las dos capas parecen crear regiones de "charco" que atrapan electrones en una red estable. Debido a que esta red estable consta solo 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 2-D de nitruro de boro, exhibe superconductividad, aislamiento y ferromagnetismo. [19] En 2021, esto se logró en un solo copo de grafeno. [20]
Ver también
- Straintronics : un método para alterar las propiedades de materiales bidimensionales mediante la introducción de tensiones controladas.
- Espintrónica : el estudio del espín intrínseco del electrón y su momento magnético asociado en dispositivos de estado sólido.
- Valleytronics : el estudio de los extremos y valles locales en la estructura de bandas electrónicas de los semiconductores.
Referencias
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