Un método innovador para mapear la interacción entre capas atómicamente finas

Cuando dos capas atómicamente finas de un material se apilan y se retuercen ligeramente una encima de la otra, pueden desarrollar propiedades radicalmente diferentes. Pueden convertirse en superconductores o incluso desarrollar propiedades magnéticas o electrónicas debido a la interacción de sus dos capas. El desafío para los científicos es averiguar precisamente qué ocurre en estas dobles capas ultrafinas, y cómo estos cambios pueden ser inducidos y ajustados. Ahora un equipo de investigación de los Estados Unidos y Alemania ha desarrollado un método innovador para mapear la interacción entre tales capas. El trabajo sobre su nuevo concepto, "metrología muaré", ha sido publicado en Nature Communications.

Cuando dos capas de un material se apilan y se tuercen, forman una estructura periódica a gran escala, llamada superredonda de muaré. El equipo de investigación de las Universidades de Columbia y Harvard en los Estados Unidos y el Instituto Max Planck para la Estructura y la Dinámica de la Materia en Hamburgo y la RWTH de Aquisgrán exploraron el paisaje atómico y las características sutiles de tales redes muaré para obtener una mejor comprensión de estos sistemas.

El equipo desarrolló la metrología muaré como un marco teórico y experimental combinado y la aplicó a tres sistemas retorcidos representativos: el grafeno bicapa, el grafeno bicapa doble y el H-stacked MoSe₂/WSe₂. Mediante diversas técnicas de obtención de imágenes y modelización detallada, los investigadores descifraron la información material impresa en las superredes muaré y obtuvieron información sobre la interacción entre las capas que hasta entonces no era accesible por otros medios. Sin embargo, la metrología del muaré no se limita a un sistema material determinado, sino que puede utilizarse en todo el campo de las estructuras bicapa retorcidas.

En el corazón de la metrología muaré se encuentra la noción de relajación. Cuando dos capas atómicas se colocan una encima de la otra no permanecen quietas. De hecho, se comportan más como membranas deformables, y se estiran y comprimen en busca de configuraciones estables, basadas en la interacción entre las capas. Los autores de este estudio afirman que la información sobre la interacción está impresa encima de finos patrones espaciales que emergen después de la relajación atómica. Demuestran además cómo se puede extraer esta información para los casos estudiados, y proporcionan limitaciones que pueden guiar la futura modelización de estos sistemas.

La sensibilidad sin precedentes de la que se informa puede entenderse a partir de la descripción de la superred de muaré en términos de un patrón de interferencia geométrica de las redes de las dos capas. De modo que, así como los cambios diminutos entre dos caminos pueden resolverse estudiando el patrón de interferencia de la luz que viaja a través de cada uno de ellos (como se hizo notablemente en el experimento del LIGO, por ejemplo), aquí los cambios subatómicos en la posición atómica se proyectan a un patrón espacial medible a gran escala.

Más allá de las implicaciones teóricas, el equipo también desarrolló herramientas de simulación de relajación que pueden ayudar en la modelización y el diseño de campos de tensión no uniformes en dispositivos realistas. Muestran una notable concordancia con los resultados experimentales.

Las mediciones experimentales y el modelado teórico fueron desarrollados y
realizados por científicos de la Universidad de Columbia con el apoyo teórico del MPSD de Hamburgo, la Universidad RWTH de Aquisgrán y Harvard.