28.04.2020 - Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Un material con un giro particular

Descubrimientos sorprendentes sobre el comportamiento de los electrones

En un material formado por dos delgadas capas de cristal ligeramente retorcidas entre sí, los investigadores de la ETH han estudiado el comportamiento de los electrones que interactúan fuertemente. Al hacerlo, encontraron una serie de propiedades sorprendentes.

Muchas tecnologías modernas se basan en materiales especiales, como los semiconductores que son importantes para las computadoras, dentro de los cuales los electrones pueden moverse más o menos libremente. Exactamente cuán libres son esos electrones está determinado por sus propiedades cuánticas y la estructura cristalina del material. La mayoría de las veces se mueven independientemente unos de otros. Sin embargo, bajo ciertas condiciones, las fuertes interacciones entre los electrones pueden dar lugar a fenómenos particulares. Los superconductores, en los que los electrones se emparejan para conducir la corriente eléctrica sin resistencia, son un ejemplo bien conocido.

En el Instituto de Electrónica Cuántica de Zurich, el profesor de ETH Ataç Imamoğlu investiga materiales con electrones que interactúan fuertemente. Quiere entender mejor el comportamiento de los electrones en esos materiales y busca propiedades inesperadas que puedan ser interesantes para futuras aplicaciones. En un material "retorcido", él y sus colaboradores han hecho ahora algunos descubrimientos sorprendentes con respecto al comportamiento de los electrones, como informan en la revista científica Nature.

El patrón muaré en un cristal

Para crear fuertes interacciones entre los electrones de forma controlada, el grupo de investigación de Imamoğlu utilizó rebanadas finas de obleas hechas de capas de un cristal de diseleniuro de molibdeno de sólo un átomo de grosor. Tales rebanadas también se conocen como materiales bidimensionales ya que los electrones en ellas sólo pueden moverse libremente en un plano. Esa característica por sí sola ya trae consigo una serie de propiedades sorprendentes como las observadas en el grafeno, que también pertenece a la clase de materiales bidimensionales.

Las cosas se ponen aún más interesantes, sin embargo, cuando dos de estas rebanadas se ponen una encima de la otra con sus direcciones de cristal ligeramente retorcidas. Esto lleva a un efecto conocido de la televisión: si alguien lleva una corbata o un vestido de tela a cuadros o rayas, a veces aparecen extraños patrones en la pantalla. Estos también se conocen como patrones de muaré.

Algo similar ocurre en los materiales de Imamoğlu. El giro entre las dos rebanadas crea una especie de red de cristal muaré que equivale a un cristal ficticio con átomos más separados de lo habitual. Tal cristal tiene una influencia mucho más débil en el movimiento de los electrones, lo que significa que las interacciones entre los electrones se vuelven más importantes en comparación.

Propiedades sorprendentes

"Pensando 'más es mejor', hemos insertado además una fina capa de un material diferente entre los trozos de diseleniuro de molibdeno", dice Yuya Shimazaki, líder de postdoctorado en el grupo de Imamoğlu. Esa rebanada de nitruro de boro asegura que, aunque las dos rebanadas retorcidas están muy cerca una de la otra, los electrones no pueden hacer túneles de ida y vuelta entre ellas. Aplicando un voltaje eléctrico al material se puede controlar exactamente cuántos electrones están presentes en su interior. Finalmente, para averiguar cómo se mueven los electrones dentro de este material de sándwich, los investigadores lo iluminaron con luz láser, excitando así los electrones.

"Nuestro material nos permite estudiar los electrones con medios ópticos", explica Imamoğlu. "Es una gran ventaja sobre otros materiales 2D como el grafeno". De las señales de luz emitidas por los electrones excitados, se pueden deducir muchas propiedades desconcertantes de los electrones. Lo que más sorprendió a los físicos fue el comportamiento de su material cuando contenía tantos electrones como sitios enrejados en los patrones de muaré de las dos rebanadas.

En ese caso, los llamados estados aislantes de Mott, en los que exactamente un electrón ocupa un lugar en la red, aparecieron en ambos cortes. Ese estado era bastante peculiar, ya que los estados aislantes de Mott se estabilizaban entre sí, de manera que incluso los fuertes campos eléctricos externos no podían moverlos y, por lo tanto, no fluía ninguna corriente. "Es la primera vez que se observa un comportamiento así", dice Imamoğlu.

Material ideal para futuras investigaciones

El nuevo material allana el camino para una serie de excitantes investigaciones adicionales. Es ideal para experimentos controlados con electrones que interactúan fuertemente. Los investigadores pueden cambiar las propiedades del material y la fuerza de las interacciones a través de la capa de nitruro de boro y el ángulo entre las rebanadas de diseleniuro de molibdeno. Esto les permite estudiar procesos físicos complejos que son difíciles de realizar en otros materiales.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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