Cuando dos láminas de grafeno, un nanomaterial de carbono, se apilan juntas en un ángulo particular entre sí, da lugar a una física fascinante. Por ejemplo, cuando este llamado «grafeno de ángulo mágico» se enfría hasta casi el cero absoluto, de repente se convierte en un superconductor, lo que significa que conduce la electricidad sin resistencia.
Ahora, un equipo de investigación de la Universidad de Brown ha encontrado un fenómeno nuevo y sorprendente que puede surgir en el grafeno de ángulo mágico. En una investigación publicada en la revista Ciencias, el equipo demostró que al inducir un fenómeno conocido como acoplamiento espín-órbita, el grafeno de ángulo mágico se convierte en un poderoso ferroimán.
«El magnetismo y la superconductividad generalmente se encuentran en los extremos opuestos del espectro en la física de la materia condensada, y es raro que aparezcan en la misma plataforma material», dijo Jia Li, profesor asistente de física en Brown y autor principal de la investigación. «Sin embargo, hemos demostrado que podemos crear magnetismo en un sistema que originalmente alberga superconductividad. Esto nos brinda una nueva forma de estudiar la interacción entre la superconductividad y el magnetismo, y brinda nuevas y emocionantes posibilidades para la investigación en ciencia cuántica».
El grafeno de ángulo mágico ha causado un gran revuelo en la física en los últimos años. El grafeno es un material bidimensional hecho de átomos de carbono dispuestos en un patrón similar a un panal. Las hojas individuales de grafeno son interesantes por sí mismas, ya que muestran una notable resistencia del material y una conductancia eléctrica extremadamente eficiente. Pero las cosas se vuelven aún más interesantes cuando se apilan láminas de grafeno. Los electrones comienzan a interactuar no solo con otros electrones dentro de una hoja de grafeno, sino también con los de la hoja adyacente. Cambiar el ángulo de las hojas entre sí cambia esas interacciones, dando lugar a interesantes fenómenos cuánticos como la superconductividad.
Esta nueva investigación agrega una nueva arruga, el acoplamiento espín-órbita, a este sistema ya interesante. El acoplamiento espín-órbita es un estado del comportamiento de los electrones en ciertos materiales en los que el espín de cada electrón, su pequeño momento magnético que apunta hacia arriba o hacia abajo, se vincula a su órbita alrededor del núcleo atómico.
«Sabemos que el acoplamiento espín-órbita da lugar a una amplia gama de fenómenos cuánticos interesantes, pero normalmente no está presente en el grafeno de ángulo mágico», dijo Jiang-Xiazi Lin, investigadora postdoctoral en Brown y autora principal del estudio. «Queríamos introducir el acoplamiento espín-órbita y luego ver qué efecto tenía en el sistema».
Para hacer eso, Li y su equipo conectaron grafeno de ángulo mágico con un bloque de diseleniuro de tungsteno, un material que tiene un fuerte acoplamiento espín-órbita. La alineación de la pila induce con precisión el acoplamiento espín-órbita en el grafeno. A partir de ahí, el equipo probó el sistema con corrientes eléctricas externas y campos magnéticos.
Los experimentos mostraron que una corriente eléctrica que fluye en una dirección a través del material en presencia de un campo magnético externo produce un voltaje en la dirección perpendicular a la corriente. Ese voltaje, conocido como efecto Hall, es la firma reveladora de un campo magnético intrínseco en el material.
Para sorpresa del equipo de investigación, demostraron que el estado magnético podría controlarse mediante un campo magnético externo, que está orientado en el plano del grafeno o fuera del plano. Esto contrasta con los materiales magnéticos sin acoplamiento espín-órbita, donde el magnetismo intrínseco puede controlarse solo cuando el campo magnético externo está alineado a lo largo de la dirección del magnetismo.
«Esta observación es una indicación de que el acoplamiento espín-órbita está realmente presente y proporcionó la pista para construir un modelo teórico para comprender la influencia de la interfaz atómica», dijo Yahui Zhang, físico teórico de la Universidad de Harvard que trabajó con el equipo de Brown. comprender la física asociada con el magnetismo observado.
«La influencia única del acoplamiento espín-órbita brinda a los científicos una nueva perilla experimental para comprender el comportamiento del grafeno de ángulo mágico», dijo Erin Morrissette, una estudiante graduada de Brown que realizó parte del trabajo experimental. «Los hallazgos también tienen el potencial para nuevas aplicaciones de dispositivos».
Una posible aplicación es en la memoria de la computadora. El equipo descubrió que las propiedades magnéticas del grafeno de ángulo mágico se pueden controlar tanto con campos magnéticos externos como con campos eléctricos. Eso haría de este sistema bidimensional un candidato ideal para un dispositivo de memoria magnética con opciones flexibles de lectura/escritura.
Otra aplicación potencial es la computación cuántica, dicen los investigadores. Se ha propuesto una interfaz entre un ferroimán y un superconductor como un bloque de construcción potencial para las computadoras cuánticas. El problema, sin embargo, es que tal interfaz es difícil de crear porque los imanes generalmente destruyen la superconductividad. Pero un material que sea capaz tanto de ferromagnetismo como de superconductividad podría proporcionar una forma de crear esa interfaz.
«Estamos trabajando en el uso de la interfaz atómica para estabilizar la superconductividad y el ferromagnetismo al mismo tiempo», dijo Li. «La coexistencia de estos dos fenómenos es rara en la física, y sin duda generará más emoción»
La investigación fue apoyada principalmente por la Universidad de Brown. Otros coautores son Ya-Hui Zhang, Zhi Wang, Song Liu, Daniel Rhodes, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi y James Hone.
