La torsión de bicapas de grafeno genera un nuevo tipo de unión molecular

Los átomos aparecen localmente como si estuvieran aislados unos de otros. Pero debido a correlaciones cuánticas no locales, la estructura sigue exhibiendo un carácter molecular. Este resultado surge de un estudio teórico realizado en la Universidade Estadual Paulista, en Brasil

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – La llamada “twistrónica” es una variante de la electrónica que describe lo que sucede cuando se apilan dos hojas de grafeno cuasi bidimensionales y, manteniendo esa superposición, se gira una de ellas sobre la otra. Cuando la torsión o giro (twist en inglés) entre las hojas alcanza un ángulo específico, denominado “ángulo mágico”, de alrededor de 1,1 grados, la bicapa de grafeno bajo torsión o rotada (TBG, del inglés twisted bilayer graphene) pasa a exhibir una competencia de dos comportamientos antagónicos: aislante y superconductor.

Este fenómeno se generó experimentalmente en el marco de trabajo de un grupo de investigadores encabezado por Pablo Jarillo-Herrero en el Departamento de Física del Massachusetts Institute of Technology (MIT), en Estados Unidos. Y aparece descrito en un artículo que salió publicado en la revista Nature en el año 2018.

En el marco de nuevo estudio, teórico en este caso, en lugar de los estados aislante y superconductor, se ha obtenido otro estado posible: el estado metálico. El trabajo al que se hace alusión aquí se llevó a cabo con el apoyo de la FAPESP, estuvo a cargo de un equipo bajo la coordinación del profesor Antonio Seridonio y tuvo lugar en el Departamento de Física y Química de la Universidade Estadual Paulista (DFQ-Unesp), en su campus de la localidad de Ilha Solteira, en Brasil. Los resultados del mismo salieron publicados en el periódico científico 2D Materials.

“En el estado aislante, denominado técnicamente ‘estado aislante de Mott’, la interacción electrón-electrón es repulsiva y dominante. La repulsión dificulta el transporte electrónico a través del sistema y esto es lo que caracteriza a la condición de aislamiento eléctrico. En tanto, en el estado superconductor se produce un comportamiento paradójico, que es el de atracción entre los electrones. Esto genera un nuevo portador de carga, el llamado ‘par de Cooper’, compuesto por dos electrones que fluyen juntos por el material sin disipación de energía, lo que define a la superconductividad”, explica Seridonio.

Y el científico prosigue: “En el estado metálico considerado en nuestro trabajo, el TBG no exhibe un gap entre la banda electrónica de valencia [ocupada por electrones] y la banda electrónica de conducción [que exhibe espacios vacíos]. Empero, como el material posee una cantidad periódica de átomos, sus espectros discretos de energía se superponen y dan origen a espectros continuos, con energías infinitamente cercanas unas de otras.”

Para caracterizar mejor a este estado metálico, en el estudio se consideró la adsorción de impurezas en la superred de muaré que se genera debido al movimiento relativo de ambas hojas. El término “muaré”, de origen francés [moiré], proviene del área textil y hace referencia a un tipo de tela de patrón ondulado. En física se lo emplea para designar a los patrones de interferencia que se forman cuando se superponen y se rotan dos redes una con respecto a la otra. La expresión “superred” se utiliza en este caso porque ese patrón de interferencia aparece a una escala de tamaño mucho mayor que la de la red de grafeno [figura A].

“Lo que hallamos fue un nuevo tipo de unión molecular covalente. La unión covalente usual es aquella en la cual los átomos de la molécula comparten electrones debido a la superposición de sus orbitales atómicos. Pero en la ‘torsión mágica’ de la bicapa de grafeno, este escenario se modifica drásticamente cuando se le aplica un campo eléctrico al sistema. Dicho campo rompe la simetría de inversión de los ‘conos de Dirac’ y permite la emergencia de un estado molecular frustrado atómicamente. En este, los átomos aparecen localmente como si estuviesen aislados unos con respecto a los otros; pero, debido a las correlaciones cuánticas no locales mediadas por la superred de muaré, aún exhiben un carácter molecular”, informa Seridonio.

En este punto, cabe abrir un paréntesis para explicar el significado de los “conos de Dirac”. Se los denomina así en alusión al físico británico Paul Dirac (1902-1984), quien efectuó aportes fundamentales al desarrollo de la mecánica y de la electrodinámica cuántica. Estas superficies cónicas, similares a relojes de arena, describen las configuraciones electrónicas de ciertos materiales como el grafeno y otros, a niveles específicos de energía. La mitad superior y la mitad inferior del reloj hacen las veces de conos que corresponden a las bandas de conducción y de valencia, respectivamente. Estas solamente se encuentran en los puntos centrales llamados “puntos de Dirac”.

“Para entender mejor el papel de los conos de Dirac y del campo eléctrico en el surgimiento de la unión molecular que hallamos en nuestro estudio, resulta interesante echar mano de una analogía. Imaginemos los conos de Dirac como las dos mitades de un reloj de arena con sus vértices unidos en un solo punto. Este punto es la zona cero de energía, donde solamente cabe un grano de arena, pero que se encuentra vacío al comienzo debido a la ausencia de un campo eléctrico externo. A ese punto vacío, sin granos, lo denominamos ‘pseudogap’ o punto de Dirac”, afirma Seridonio.

Y continúa: “El cono superior, cabeza abajo, cumple el rol de la banda de conducción y se encuentra equilibrado por el vértice del cono inferior, que emula a la banda de valencia. A su vez, este último cono se encuentra rellenado completamente con arena hasta una altura situada enseguida debajo del ‘pseudogap’ y representa la cantidad ideal de electrones del sistema. Como tenemos dos hojas de grafeno que forman el TBG, hay dos relojes de arena en esa condición [figura B]. En el ‘ángulo mágico’, es como si los relojes de arena quedasen perfectamente achatados, pues la inclinación de los conos se vuelve igual a cero. El campo eléctrico cierra el ‘pseudogap’ al rellenarlo de arena, y el achatamiento de los conos comprime todos los niveles de energía moleculares en ese punto, donde cabe solamente un grano, que corresponde al nivel de energía cero [con el achatamiento total de los conos, su representación gráfica se ve reducida a una línea horizontal; la figura C muestra una situación de transición en la cual los conos aparecen achatados, pero no completamente].”

El investigador añade que, al estar achatados los conos, la configuración electrónica no sale del nivel vero de energía. Todo el espectro molecular queda reducido a un solo estado cuántico de energía cero. Y se vuelve robusto en ese sentido. La molécula “intenta” disociarse en átomos independientes, pero “no lo logra”, pues los niveles de energía se encuentran demasiado “apretujados” a causa del colapso de los conos de Dirac. De este modo, la molécula vuelve “atómicamente frustrada”.

“A este tipo de configuración se la da el nombre de ‘modo cero de energía’. Y si el aumento progresivo de la magnitud del campo eléctrico no es capaz de remover ese modo, que entonces queda clavado en cero indefinidamente, se vuelve inmune a las perturbaciones externas y se lo considera ‘robusto’. La robustez es uno de los principales requisitos para la realización de una computación cuántica topológica”, remarca Seridonio.

El estudio referido, coordinado por Seridonio, forma parte de la investigación doctoral de William Nobuhiro Mizobata, autor principal del artículo y alumno del Posgrado en Ciencia de Materiales del DFQ-Unesp. Y contó con la participación de los doctorandos José Eduardo Cardoso Sanches y Willian Carvalho da Silva, además del magíster Mathaus Penha y del estudiante de la carrera de grado Carlos Alberto Batista Carvalho. Colaboraron a su vez los profesores Valdeci Pereira Mariano de Souza (Unesp de Rio Claro) y Marcos Sérgio Figueira da Silva (Universidad Federal Fluminense – UFF).

Puede accederse a la lectura del artículo intitulado Atomic frustration-based twistronics puede en el siguiente enlace: iopscience.iop.org/article/10.1088/2053-1583/ac277f. El mismo también se encuentra disponible en el repositorio arXiv: arxiv.org/abs/2110.04909.