El grafeno de ángulo «mágico» y la creación de estados cuánticos topológicos inesperados

Un equipo de físicos dirigido por Princeton ha descubierto que, bajo ciertas condiciones, los electrones que interactúan pueden crear lo que se denominan «estados cuánticos topológicos», lo que tiene implicaciones para muchos campos tecnológicos de estudio, especialmente la tecnología de la información. Este diagrama de un microscopio de efecto túnel muestra el grafeno bicapa retorcido en ángulo mágico. Crédito: Kevin Nuckolls, Departamento de Física, Universidad de Princeton

Los electrones habitan un mundo extraño y revuelto. Estas partículas infinitesimalmente pequeñas nunca han dejado de sorprender y desconcertar a pesar de más de un siglo que los científicos las han estudiado. Ahora, en un giro aún más sorprendente, los físicos han descubierto que, bajo ciertas condiciones, los electrones que interactúan pueden crear lo que se denominan «estados cuánticos topológicos». Este hallazgo, que se publicó recientemente en la revista Naturaleza, tiene implicaciones para muchos campos tecnológicos de estudio, especialmente la tecnología de la información.

Los estados topológicos de la materia son clases particularmente interesantes de fenómenos cuánticos. Su estudio combina la física cuántica con la topología, que es la rama de las matemáticas teóricas que estudia las propiedades geométricas que pueden deformarse pero no cambiarse intrínsecamente. Los estados cuánticos topológicos llamaron la atención del público por primera vez en 2016 cuando tres científicos, Duncan Haldane de Princeton, profesor de física matemática Thomas D. Jones de Princeton y profesor de física de la Universidad Sherman Fairchild, junto con David Thouless y Michael Kosterlitz, recibieron el Nobel Premio por su trabajo en el descubrimiento del papel de la topología en materiales electrónicos.

«La última década ha sido testigo de un gran entusiasmo por los nuevos estados cuánticos topológicos de los electrones», dijo Ali Yazdani, profesor de Física de 1909 en Princeton y autor principal del estudio. «La mayor parte de lo que hemos descubierto en la última década se ha centrado en cómo los electrones obtienen estas propiedades topológicas, sin pensar en que interactúen entre sí».

Pero al usar un material conocido como bicapa retorcida de ángulo mágico grafeno, Yazdani y su equipo pudieron explorar cómo la interacción de electrones puede dar lugar a fases sorprendentes de la materia.

Estados cuánticos topológicos

Un equipo de físicos dirigido por Princeton ha descubierto que, bajo ciertas condiciones, los electrones que interactúan pueden crear lo que se denominan «estados cuánticos topológicos», lo que tiene implicaciones para muchos campos tecnológicos de estudio, especialmente la tecnología de la información. Este diagrama muestra diferentes estados de aislamiento, cada uno de los cuales se caracteriza por un número entero llamado «número de Chern», que distingue entre diferentes fases topológicas. Crédito: Kevin Nuckolls, Departamento de Física, Universidad de Princeton

Las notables propiedades del grafeno se descubrieron hace dos años cuando Pablo Jarillo-Herrero y su equipo en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) lo utilizó para inducir superconductividad, un estado en el que los electrones fluyen libremente sin ninguna resistencia. El descubrimiento fue inmediatamente reconocido como una nueva plataforma material para explorar fenómenos cuánticos inusuales.

Yazdani y sus colegas investigadores estaban intrigados por este descubrimiento y se propusieron explorar más a fondo las complejidades de la superconductividad.

Pero lo que descubrieron los llevó por un camino diferente y desconocido.

“Este fue un desvío maravilloso que surgió de la nada”, dijo Kevin Nuckolls, autor principal del artículo y estudiante de posgrado en física. «Fue totalmente inesperado y algo que notamos que iba a ser importante».

Siguiendo el ejemplo de Jarillo-Herrero y su equipo, Yazdani, Nuckolls y los demás investigadores centraron su investigación en el grafeno bicapa retorcido.

«Es realmente un material milagroso», dijo Nuckolls. «Es una red bidimensional de átomos de carbono que es un gran conductor eléctrico y es uno de los cristales más fuertes conocidos».

El grafeno se produce de una manera engañosamente simple pero minuciosa: un cristal de grafito a granel, el mismo grafito puro en los lápices, se exfolia con cinta adhesiva para eliminar las capas superiores hasta que finalmente alcanza unaátomo-capa fina de carbono, con átomos dispuestos en un patrón de celosía de panal plano.

Para obtener el efecto cuántico deseado, los investigadores de Princeton, siguiendo el trabajo de Jarillo-Herrero, colocaron dos hojas de grafeno una encima de la otra con la capa superior ligeramente inclinada. Esta torsión crea un patrón muaré, que se asemeja y lleva el nombre de un diseño textil francés común. El punto importante, sin embargo, es el ángulo en el que se coloca la capa superior de grafeno: exactamente 1,1 grados, el ángulo «mágico» que produce el efecto cuántico.

«Es una falla tan extraña en la naturaleza», dijo Nuckolls, «que es exactamente este ángulo el que debe lograrse». Inclinar la capa superior de grafeno a 1,2 grados, por ejemplo, no produce ningún efecto.

Los investigadores generaron temperaturas extremadamente bajas y crearon un ligero campo magnético. Luego utilizaron una máquina llamada microscopio de túnel de barrido, que se basa en una técnica llamada «túnel cuántico» en lugar de luz para ver el mundo atómico y subatómico. Dirigieron la punta metálica conductora del microscopio sobre la superficie del grafeno retorcido en ángulo mágico y pudieron detectar los niveles de energía de los electrones.

Descubrieron que el grafeno de ángulo mágico cambiaba la forma en que los electrones se movían en la hoja de grafeno. «Crea una condición que obliga a los electrones a tener la misma energía», dijo Yazdani. «A esto lo llamamos ‘banda plana'».

Cuando los electrones tienen la misma energía, están en un material de banda plana, interactúan entre sí con mucha fuerza. «Esta interacción puede hacer que los electrones hagan muchas cosas exóticas», dijo Yazdani.

Una de estas cosas «exóticas», descubrieron los investigadores, fue la creación de estados topológicos inesperados y espontáneos.

«Esta torsión del grafeno crea las condiciones adecuadas para crear una interacción muy fuerte entre los electrones», explicó Yazdani. «Y esta interacción favorece inesperadamente que los electrones se organicen en una serie de estados cuánticos topológicos».

Específicamente, descubrieron que la interacción entre electrones crea lo que se llaman aislantes topológicos. Se trata de dispositivos únicos que actúan como aislantes en su interior, lo que significa que los electrones del interior no son libres de moverse y por tanto no conducen la electricidad. Sin embargo, los electrones de los bordes pueden moverse libremente, lo que significa que son conductores. Además, debido a las propiedades especiales de la topología, los electrones que fluyen a lo largo de los bordes no se ven obstaculizados por ningún defecto o deformación. Fluyen de manera continua y eficaz eludir las limitaciones, como las imperfecciones diminutas en la superficie de un material, que normalmente impiden el movimiento de los electrones.

Durante el transcurso del trabajo, el grupo experimental de Yazdani se asoció con otros dos Princetonianos: Andrei Bernevig, profesor de física, y Biao Lian, profesor asistente de física, para comprender el mecanismo físico subyacente de sus hallazgos.

“Nuestra teoría muestra que dos ingredientes importantes, interacciones y topología, que en la naturaleza en su mayoría aparecen desacoplados entre sí, se combinan en este sistema”, dijo Bernevig. Este acoplamiento crea los estados del aislante topológico que se observaron experimentalmente.

Aunque el campo de la topología cuántica es relativamente nuevo, tiene un gran potencial para revolucionar las áreas de la ingeniería eléctrica, la ciencia de los materiales y especialmente la informática.

«La gente habla mucho sobre su relevancia para computación cuántica, donde se pueden usar estos estados cuánticos topológicos para hacer mejores tipos de bits cuánticos ”, dijo Yazdani. “La motivación de lo que estamos tratando de hacer es comprender cómo se puede codificar la información cuántica dentro de una fase topológica. La investigación en esta área está produciendo ciencia nueva y emocionante y puede tener un impacto potencial en el avance de las tecnologías de la información cuántica «.

Yazdani y su equipo continuarán su investigación para comprender cómo las interacciones de los electrones dan lugar a diferentes estados topológicos.

«La interacción entre la topología y la superconductividad en este sistema de materiales es bastante fascinante y es algo que intentaremos comprender a continuación», dijo Yazdani.

Además de Yazdani, Nuckolls, Bernevig y Lian, los colaboradores del estudio incluyeron a los co-primeros autores Myungchul Oh y Dillon Wong, asociados de investigación postdoctorales, así como a Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Japón.

Referencia: «Aisladores Chern fuertemente correlacionados en grafeno bicapa retorcido con ángulo mágico» por Kevin P. Nuckolls, Myungchul Oh, Dillon Wong, Biao Lian, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, B. Andrei Bernevig y Ali Yazdani, 14 de diciembre de 2020, Naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41586-020-3028-8

Este trabajo fue apoyado principalmente por la iniciativa EPiQS de la Fundación Gordon y Betty Moore (GBMF4530, GBMF9469) y el Departamento de Energía (DE-FG02-07ER46419 y DE-SC0016239). Otro apoyo para el trabajo experimental fue proporcionado por la National Science Foundation (Centros de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales a través del Centro de Princeton para Materiales Complejos (NSF-DMR-1420541, NSF-DMR-1904442) y EAGER DMR-1643312), ExxonMobil a través del Andlinger Center for Energy and the Environment at Princeton, Princeton Catalysis Initiative, Elemental Strategy Initiative llevada a cabo por el Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología de Japón (JPMXP0112101001, JSPS KAKENHI grant JP20H0035 y CREST JPMJCR15F3), Princeton Center for Ciencia teórica en Universidad de Princeton, la Fundación Simons, la Fundación Packard, el Fondo Schmidt para la Investigación Innovadora, la Fundación BSF Israel US (2018226), la Oficina de Investigación Naval (N00014-20-1-2303) y los Fondos de la Red Global de Princeton.