El grafeno es excepcionalmente fuerte. Además, el material puede exhibir un comportamiento electrónico sorprendente cuando se coloca en capas y se dobla de determinadas maneras.
Los físicos del MIT han identificado otra propiedad interesante del grafeno: en un estado muy poco común de «multi-hierro», que el equipo llamó valle de hierro, el grafeno exhibe un magnetismo inusual y un extraño tipo de comportamiento eléctrico cuando se apila en cinco capas en forma de rombo. . . Ajustes.
Esta es la primera vez que los científicos observan valles de hierro y magnetismo no convencional en cinco capas de grafeno. Sin embargo, no vieron esta propiedad en una, dos, tres o cuatro capas.
Este descubrimiento podría ayudar a los ingenieros a crear dispositivos de almacenamiento de datos de alta capacidad y bajo consumo de energía que pueden almacenar el doble de información que los dispositivos convencionales.
Los científicos estaban interesados en determinar si el grafeno podría tener un comportamiento poliferroico. Los científicos han descubierto interacciones cuánticas ocultas gracias a la frágil estructura y al entorno único del grafeno.
Más concretamente, los científicos buscaban entornos en los que los electrones se ralentizaran, donde sus interacciones con la red que rodea a los átomos fueran pequeñas, de modo que pudieran tener lugar interacciones con otros electrones.
Utilizando cálculos simples, el equipo descubrió que debe ocurrir alguna actividad coordinada entre electrones en una estructura formada por cinco capas de grafeno apiladas una encima de otra en una disposición romboédrica.
El líder del equipo Long Guo, profesor asistente de física en el MIT, dijo: «En cinco capas, los electrones se encuentran en un entorno reticular donde se mueven muy lentamente, por lo que pueden interactuar con otros electrones de manera efectiva. Ahí es cuando dominan los efectos de correlación de los electrones y pueden coordinarse en ciertas disposiciones preferidas del hierro.
Los científicos comenzaron experimentando con un pequeño bloque de grafito, despegando con cuidado escamas individuales. Gracias a sus técnicas ópticas, pudieron examinar cada escama, buscando específicamente escamas con cinco capas dispuestas naturalmente en un patrón romboédrico.
A temperaturas ligeramente por encima del cero absoluto, los científicos analizaron algunos chips de cinco capas que habían sido separadas. Todos los demás efectos, como las dislocaciones inducidas térmicamente dentro del grafeno, deberían ser silenciosos a temperaturas criogénicas, permitiendo que surjan interacciones electrónicas. Cuando los científicos analizaron cómo responden los electrones a los campos magnéticos y eléctricos, surgieron dos sistemas de hierro, o conjuntos de comportamientos coordinados.
La primera propiedad del hierro fue el movimiento orbital coordinado de los electrones, que es similar a los planetas que giran en la misma dirección.
El «valle» electrónico del grafeno fue el tema de la segunda propiedad ferrosa. Hay niveles de energía específicos que los electrones pueden ocupar en cualquier material conductor. El estado de energía más bajo en el que un electrón puede existir naturalmente representa el valle. En el grafeno puede haber valles. Los electrones suelen asentarse por igual en ambos valles sin preferencia por uno.
Sin embargo, el equipo descubrió que en el grafeno de cinco capas, los electrones comenzaron a coordinarse y eligieron vivir en un valle en lugar del otro. La estructura tenía un estado multiferroico inusual debido a este segundo comportamiento coordinado, lo que indica una propiedad del hierro que interactúa con el magnetismo inusual de los electrones.
Co-primer autor Zhengguang Lu Él dijo, «Sabíamos que algo interesante iba a pasar en esta estructura, pero no sabíamos exactamente qué era hasta que la probamos. Es la primera vez que vemos la electrónica de ferrovalley, y también la primera vez que vemos la coexistencia de electrónica ferrovalley y ferroimanes no convencionales.»
Referencia de la revista:
- Han, T., Lu, Z., Scurry, G. et al. Polimorfismo orbital del hierro en grafeno pentaédrico. Naturaleza (2023). Identificación digital: 10.1038/s41586-023-06572-s
