24.03.2021 - Technische Universität Wien

Efecto moiré: cómo retorcer las propiedades del material

Los materiales 2D han provocado un boom en la investigación de materiales. Ahora resulta que se producen efectos interesantes cuando se apilan dos de estos materiales en capas y se retuercen ligeramente

El descubrimiento del material grafeno, formado por una sola capa de átomos de carbono, fue el pistoletazo de salida de una carrera mundial: Hoy en día se producen los llamados "materiales 2D", formados por diferentes tipos de átomos. Capas atómicamente finas que suelen tener propiedades materiales muy especiales que no se encuentran en los materiales convencionales más gruesos.

Ahora se añade otro capítulo a este campo de investigación: Si se apilan dos de estas capas 2D en el ángulo correcto, surgen aún más posibilidades nuevas. La forma en que los átomos de las dos capas interactúan crea intrincados patrones geométricos, y estos patrones tienen un impacto decisivo en las propiedades del material, como ha podido demostrar ahora un equipo de investigación de la TU Wien y la Universidad de Texas (Austin). Los fonones -las vibraciones de la red de átomos- se ven influidos de forma significativa por el ángulo en el que se colocan las dos capas del material una encima de la otra. Así, con minúsculas rotaciones de dicha capa, se pueden cambiar significativamente las propiedades del material.

El efecto Moiré

La idea básica puede probarse en casa con dos hojas de malla de mosca, o con cualquier otra malla regular que pueda colocarse una encima de la otra: Si ambas mallas son perfectamente congruentes una encima de la otra, apenas se puede distinguir desde arriba si se trata de una o dos mallas. La regularidad de la estructura no ha cambiado.

Pero si ahora se gira una de las rejillas en un pequeño ángulo, hay lugares en los que los puntos de rejilla de las mallas coinciden aproximadamente, y otros lugares en los que no. De este modo, surgen patrones interesantes: es el conocido efecto moiré.

"Se puede hacer exactamente lo mismo con las retículas atómicas de dos capas de material", afirma el Dr. Lukas Linhart, del Instituto de Física Teórica de la Universidad Técnica de Viena. Lo notable es que esto puede cambiar drásticamente ciertas propiedades del material: por ejemplo, el grafeno se convierte en un superconductor si se combinan dos capas de este material de la forma adecuada.

"Estudiamos capas de disulfuro de molibdeno, que, junto con el grafeno, es probablemente uno de los materiales 2D más importantes", explica el profesor Florian Libisch, que dirigió el proyecto en la Universidad de Viena. "Si se ponen dos capas de este material una encima de la otra, se producen las llamadas fuerzas de Van der Waals entre los átomos de estas dos capas. Son fuerzas relativamente débiles, pero lo suficientemente fuertes como para cambiar por completo el comportamiento de todo el sistema".

En elaboradas simulaciones por ordenador, el equipo de investigación analizó el estado mecánico cuántico de la nueva estructura de bicapa causada por estas débiles fuerzas adicionales, y cómo esto afecta a las vibraciones de los átomos de las dos capas.

El ángulo de giro es importante

"Si se giran un poco las dos capas una contra otra, las fuerzas de Van der Waals hacen que los átomos de ambas capas cambien un poco su posición", explica el Dr. Jiamin Quan, de la Universidad de Texas en Austin. Él dirigió los experimentos en Texas, que confirmaron los resultados de los cálculos: El ángulo de rotación puede utilizarse para ajustar qué vibraciones atómicas son físicamente posibles en el material.

"En términos de la ciencia de los materiales, es una cosa importante tener control sobre las vibraciones de los fonones de esta manera", dice Lukas Linhart "El hecho de que las propiedades electrónicas de un material 2D se pueden cambiar mediante la unión de dos capas ya se conocía antes. Pero el hecho de que las oscilaciones mecánicas del material también puedan controlarse de este modo nos abre nuevas posibilidades". Los fonones y las propiedades electromagnéticas están estrechamente relacionados. Por lo tanto, a través de las vibraciones en el material, se puede intervenir en importantes efectos de muchos cuerpos de forma controlada". Tras esta primera descripción del efecto para los fonones, los investigadores intentan ahora describir los fonones y los electrones combinados, con la esperanza de aprender más sobre fenómenos importantes como la superconductividad.

De este modo, el efecto Moiré material-físico enriquece aún más el ya de por sí rico campo de investigación de los materiales 2D, y aumenta las posibilidades de seguir encontrando nuevos materiales en capas con propiedades antes inalcanzables, además de permitir el uso de materiales 2D como plataforma experimental para propiedades bastante fundamentales de los sólidos.

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