11.01.2022 - Brown University

Sorpresa magnética en el grafeno de "ángulo mágico

El grafeno se convierte en un potente ferromagneto

Cuando dos láminas del nanomaterial de carbono grafeno se apilan en un ángulo determinado con respecto a la otra, se produce una física fascinante. Por ejemplo, cuando este llamado "grafeno de ángulo mágico" se enfría hasta casi el cero absoluto, se convierte de repente en un superconductor, lo que significa que conduce la electricidad con resistencia cero.

Ahora, un equipo de investigación de la Universidad de Brown ha descubierto un nuevo y sorprendente fenómeno que puede darse en el grafeno de ángulo mágico. En una investigación publicada en la revista Science, el equipo demostró que al inducir un fenómeno conocido como acoplamiento de espín y órbita, el grafeno de ángulo mágico se convierte en un potente ferromagneto.

"El magnetismo y la superconductividad suelen estar en los extremos opuestos del espectro de la física de la materia condensada, y es raro que aparezcan en la misma plataforma material", dijo Jia Li, profesor asistente de física en Brown y autor principal de la investigación. "Sin embargo, hemos demostrado que podemos crear magnetismo en un sistema que originalmente alberga superconductividad. Esto nos proporciona una nueva forma de estudiar la interacción entre la superconductividad y el magnetismo, y ofrece nuevas y emocionantes posibilidades para la investigación de la ciencia cuántica."

El grafeno de ángulo mágico ha causado un gran revuelo en la física en los últimos años. El grafeno es un material bidimensional formado por átomos de carbono dispuestos en forma de panal. Las láminas individuales de grafeno son interesantes por sí solas, ya que presentan una notable resistencia del material y una conductancia eléctrica extremadamente eficiente. Pero las cosas se ponen aún más interesantes cuando las hojas de grafeno se apilan. Los electrones comienzan a interactuar no sólo con otros electrones de una hoja de grafeno, sino también con los de la hoja adyacente. Al cambiar el ángulo de las láminas entre sí se modifican esas interacciones, lo que da lugar a interesantes fenómenos cuánticos como la superconductividad.

Esta nueva investigación añade una nueva arista -el acoplamiento de espín-órbita- a este ya interesante sistema. El acoplamiento espín-órbita es un estado de comportamiento de los electrones en ciertos materiales en los que el espín de cada electrón -su pequeño momento magnético que apunta hacia arriba o hacia abajo- se vincula a su órbita alrededor del núcleo atómico.

"Sabemos que el acoplamiento de espín y órbita da lugar a una amplia gama de fenómenos cuánticos interesantes, pero normalmente no está presente en el grafeno de ángulo mágico", dijo Jiang-Xiazi Lin, investigador postdoctoral en Brown y autor principal del estudio. "Queríamos introducir el acoplamiento espín-órbita y luego ver qué efecto tenía en el sistema".

Para ello, Li y su equipo interconectaron el grafeno de ángulo mágico con un bloque de diseleniuro de tungsteno, un material que presenta un fuerte acoplamiento espín-órbita. Alinear la pila con precisión induce el acoplamiento espín-órbita en el grafeno. A partir de ahí, el equipo probó el sistema con corrientes eléctricas y campos magnéticos externos.

Los experimentos demostraron que una corriente eléctrica que fluye en una dirección a través del material en presencia de un campo magnético externo produce una tensión en la dirección perpendicular a la corriente. Esta tensión, conocida como efecto Hall, es la señal reveladora de un campo magnético intrínseco en el material.

Para sorpresa del equipo de investigación, demostraron que el estado magnético podía controlarse utilizando un campo magnético externo, orientado tanto en el plano del grafeno como fuera del plano. Esto contrasta con los materiales magnéticos sin acoplamiento espín-órbita, en los que el magnetismo intrínseco sólo puede controlarse cuando el campo magnético externo se alinea a lo largo de la dirección del magnetismo.

"Esta observación es un indicio de que el acoplamiento espín-órbita está realmente presente y proporcionó la pista para construir un modelo teórico que permitiera entender la influencia de la interfaz atómica", dijo Yahui Zhang, un físico teórico de la Universidad de Harvard que trabajó con el equipo de Brown para entender la física asociada al magnetismo observado.

"La influencia única del acoplamiento de espín y órbita ofrece a los científicos un nuevo botón experimental para entender el comportamiento del grafeno de ángulo mágico", dijo Erin Morrissette, una estudiante graduada de Brown que realizó parte del trabajo experimental. "Los hallazgos también tienen el potencial de nuevas aplicaciones en dispositivos".

Una posible aplicación es en la memoria de los ordenadores. El equipo descubrió que las propiedades magnéticas del grafeno de ángulo mágico pueden controlarse tanto con campos magnéticos externos como con campos eléctricos. Eso haría de este sistema bidimensional un candidato ideal para un dispositivo de memoria magnética con opciones flexibles de lectura/escritura.

Otra posible aplicación es la computación cuántica, según los investigadores. Se ha propuesto una interfaz entre un ferromagneto y un superconductor como posible bloque de construcción de ordenadores cuánticos. El problema, sin embargo, es que esa interfaz es difícil de crear porque los imanes suelen destruir la superconductividad. Pero un material que sea capaz tanto de ferromagnetismo como de superconductividad podría proporcionar una forma de crear esa interfaz.

"Estamos trabajando en el uso de la interfaz atómica para estabilizar la superconductividad y el ferromagnetismo al mismo tiempo", dijo Li. "La coexistencia de estos dos fenómenos es poco frecuente en la física, y sin duda desvelará más emociones"

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