Un campo magnético artificial produce comportamientos exóticos en hojas de grafeno

Es un descubrimiento realizado por una joven científica brasileña que abre el camino hacia futuras aplicaciones tecnológicas, y apareció estampado en la portada de la revista Physical Review Letters

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Una sencilla hoja de grafeno posee de por sí propiedades notables, a causa de un fenómeno cuántico en su estructura electrónica: se trata de los llamados “conos de Dirac”, un nombre que constituye un homenaje al físico británico Paul Adrien Dirac (1902-1984), ganador del Nobel de Física en 1933.

Pero este sistema se vuelve aún más interesante al estar constituido por dos hojas de grafeno superpuestas y se gira una de ellas mínimamente en el propio plano en que se encuentra, de manera tal que los alvéolos de ambas redes de carbono dejen de coincidir completamente (véase el video debajo).

Para ángulos de giro específicos, el grafeno pasa a exhibir entonces propiedades exóticas como la superconductividad –deja de ofrecer resistencia al paso de la corriente eléctrica–, por ejemplo.

En el marco de un nuevo estudio, a cargo de la física brasileña Aline Ramires y el español José Lado, de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (en Suiza), se demostró que la aplicación de un campo eléctrico en un sistema de este tipo produce un efecto idéntico al de la aplicación de un campo magnético extremadamente intenso en dos hojas de grafeno alineadas.

Un artículo referente a dicha investigación salió publicado en la revista Physical Review Letters, y está estampado en la portada de dicha publicación. También puede accederse a la versión íntegra del texto en la plataforma ArXiv. Ramires, quien es investigadora en el Instituto de Física Teórica de la Universidade Estadual Paulista (Unesp) y en el Instituto Sudamericano de Investigación Fundamental (ICTP-SAIFR), cuenta con el apoyo de la FAPESP a través del Programa Jóvenes Investigadores en Centros Emergentes.

“Yo concreté esa identificación analíticamente, en tanto que Lado la verificó computacionalmente. Esto permite controlar las propiedades electrónicas del grafeno mediante campos eléctricos y generar así campos magnéticos artificiales pero efectivos, con magnitudes mucho mayores que las de los campos magnéticos reales que pueden aplicarse”, declaró Ramires a Agência FAPESP.

Según la investigadora, es fundamental que las dos hojas de grafeno estén lo suficientemente cerca como para que los orbitales electrónicos de una logren interactuar con los orbitales electrónicos de la otra.

La cercanía en este caso es la del espaciado atómico de los átomos de carbono, una distancia que se ubica en la escala del angstrom (10^-10 metro). Otro requisito es que el ángulo de giro de una de las hojas con relación a la otra sea muy pequeño, mucho menor que un grado (α<<1°).

Si bien es completamente teórico (analítico y numérico), este estudio posee un evidente potencial tecnológico, pues muestra que un material versátil como el grafeno puede manipularse a los efectos de que exhiba regímenes hasta ahora no explotados.

“Propuestas anteriores de campos magnéticos artificiales se basaban en la aplicación de fuerzas tendientes a deformar el material. Pero nuestra propuesta permite controlar con mucha mayor precisión la generación de estos campos. Y esto eventualmente podrá tener aplicaciones prácticas”, dijo Ramires.

Estos estados exóticos de la materia, inducidos por campos magnéticos artificiales, están asociados a la aparición de “seudoniveles de Landau” en las hojas de grafeno.

Los niveles de Landau –que así se denominan como un homenaje al físico y matemático soviético Lev Landau (1908-1968), ganador del Nobel de Física en 1962– constituyen un fenómeno cuántico que hace que, en presencia de un campo magnético, las partículas cargadas eléctricamente sólo puedan ocupar órbitas con valores discretos de energía. La cantidad de electrones por nivel es directamente proporcional a la magnitud del campo magnético aplicado.

“Estos estados están claramente localizados en el espacio y cuando las partículas interactúan en esos niveles, las interacciones son mucho más intensas que comúnmente. La formación de ‘seudoniveles de Landau’ explica por qué los campos magnéticos artificiales hacen surgir en el material propiedades exóticas como la superconductividad o líquidos de espín”, dijo Ramires.

Puede leerse el artículo intitulado Electrically Tunable Gauge Fields in Tiny-Angle Twisted Bilayer Graphene (DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.146801), de Aline Ramires y José L. Lado, en el siguiente enlace: journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.146801.

Imagen animada del giro de una hoja de grafeno con relación a la otra. Animación realizada por el investigador español José Lado, coautor del estudio