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| Ilustración del grafeno adoptando un raro estado multiferroico. (Sampson Wilcox en MIT RLE) |
El grafeno es excepcionalmente resistente. Además, el material puede mostrar un comportamiento electrónico sorprendente cuando se superpone y se dobla de formas particulares.
Los físicos del MIT han descubierto ahora otra característica intrigante del grafeno: en un estado "multiferroico" muy poco común, que el equipo ha bautizado como ferrovalleytricidad, el grafeno muestra tanto un magnetismo inusual como un comportamiento eléctrico exótico cuando se apila en cinco capas en una configuración romboédrica.
Es la primera vez que los científicos observan ferrovalletricidad y magnetismo no convencional en cinco capas de grafeno. Sin embargo, no observaron esta propiedad en una, dos, tres o cuatro capas.
Este descubrimiento podría ayudar a los ingenieros a crear dispositivos de almacenamiento de datos de ultrabajo consumo y alta capacidad, capaces de almacenar el doble de información que los dispositivos convencionales.
Los científicos querían determinar si el grafeno podía tener un comportamiento multiferroico. Los científicos descubrieron interacciones cuánticas ocultas de otro modo gracias a la frágil estructura del grafeno y a su entorno único.
Más concretamente, los científicos buscaban entornos en los que los electrones estuvieran ralentizados, es decir, en los que sus interacciones con la red de átomos que los rodea fueran pequeñas, de modo que sus interacciones con otros electrones pudieran salir a la luz.
Mediante cálculos sencillos, el equipo descubrió que en una estructura de cinco capas de grafeno superpuestas en disposición romboédrica debería producirse cierta actividad coordinada entre los electrones.
Long Ju, director del equipo y profesor adjunto de Física en el MIT, explica: "En cinco capas, los electrones se encuentran en un entorno reticular en el que se mueven muy lentamente, por lo que pueden interactuar con otros electrones de forma eficaz. Es entonces cuando dominan los efectos de correlación de electrones, y pueden coordinarse en ciertos órdenes preferidos, ferrosos".
Los científicos empezaron a experimentar con un pequeño bloque de grafito, del que exfoliaron cuidadosamente escamas individuales. Gracias a sus técnicas ópticas, pudieron examinar cada escama, buscando específicamente escamas de cinco capas dispuestas de forma natural en un patrón romboédrico.
A temperaturas ligeramente superiores al cero absoluto, los científicos analizaron algunos copos de cinco capas que habían separado. Todos los demás efectos, como los trastornos inducidos térmicamente en el interior del grafeno, deberían silenciarse a temperaturas tan extremadamente frías, lo que permitiría la aparición de interacciones electrónicas. Dos órdenes férricos -o conjuntos de comportamientos coordinados- surgieron cuando los científicos analizaron cómo respondían los electrones a los campos magnéticos y eléctricos.
La primera propiedad férrica era el movimiento orbital coordinado de los electrones, que parecían planetas girando en la misma dirección.
El "valle" electrónico del grafeno fue el objeto de la segunda propiedad férrica. Existen niveles de energía específicos que los electrones pueden ocupar en cualquier sustancia conductora. El estado energético más bajo en el que puede existir un electrón representa naturalmente un valle. En el grafeno pueden existir dos valles. Normalmente, los electrones se asientan uniformemente en ambos valles sin preferencia por uno de ellos.
Sin embargo, el equipo descubrió que en el grafeno de cinco capas, los electrones empezaban a coordinarse y elegían habitar en un valle en lugar del otro. La estructura presentaba un estado multiferroico poco común debido a este segundo comportamiento coordinado, que apuntaba a una propiedad ferrogénica que interactuaba con el inusual magnetismo de los electrones.
Zhengguang Lu, co-primer autor, declaró: "Sabíamos que algo interesante ocurriría en esta estructura, pero no sabíamos exactamente qué hasta que la probamos. Es la primera vez que vemos una ferrovalletrónica, y también la primera vez que vemos una coexistencia de ferrovalletrónica con ferroimán no convencional".
Fuentes, créditos y referencias: