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 se orientan libremente entre sí 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 la capacidad de ese material para conducir 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 hay una simetría rota”.

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

“Estas fases son el resultado de interacciones electrón-electrón”, dijo Rubio-Verdú, un becario Marie Skłodowska-Curie que estudia fases electrónicas en materiales muaré como el grafeno retorcido 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 tensión a través del material retorcido. El estrés también puede hacer que los electrones se muevan, pero este es un efecto mecánico más que electrónico, explicó Rubio-Verdú. En este experimento, el equipo usó una muestra de grafeno retorcido que era relativamente grande pero tenía una tensión extremadamente baja, solo 0.03%. “Estamos mirando a cientos de nanómetros y el efecto es persistente”, dijo Rubio-Verdú. “Esta es una fase nemática electrónica real. “

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 bicapa doble retorcido para conducir la corriente eléctrica.

Comprender el conjunto completo de comportamiento electrónico en materiales muaré como el grafeno retorcido podría algún día ayudar a los físicos a comprender mejor otra fase cuántica, la superconductividad, en la que una corriente eléctrica viaja a través de un material con resistencia cero. Sin embargo, esta fase se produce actualmente a temperaturas muy bajas; incluso los denominados superconductores de alta temperatura, que se utilizan en dispositivos como los escáneres de resonancia magnética, deben mantenerse cerca de los 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 aún plantea preguntas fundamentales sobre la naturaleza de los materiales muaré, pero el descubrimiento de una fase nemática electrónica en el grafeno de doble bicapa retorcido es solo una pieza más del rompecabezas que ahora está en su lugar. “Vemos 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. “