Un equipo colaborativo de científicos de la Universidad de Cornell en EE. UU., el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón y el Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia de Alemania ha descubierto estados cuánticos inusuales dentro del grafeno de seis capas. Si bien el grafeno es conocido por su estructura de carbono en panal de abeja y su potencial tecnológico, apilar múltiples capas puede generar propiedades distintas. Los investigadores se centraron en el grafeno romboédrico de seis capas, una configuración donde seis capas están desplazadas lateralmente en un patrón repetitivo.
El descubrimiento fue algo accidental. La autora principal, Xiaomeng Liu, explicó que el equipo inicialmente pretendía estudiar el grafeno romboédrico retorcido para crear bandas topológicas aisladas. Sin embargo, en un dispositivo construido apilando dos láminas de tres capas, las capas se relajaron hasta alinearse, formando inadvertidamente la estructura romboédrica de seis capas. Las mediciones iniciales en este material sugirieron comportamientos no reportados previamente en estudios de grafeno de cinco capas, lo que impulsó una exploración más profunda de su diagrama de fases.
Para investigar estas propiedades, el equipo preparó escamas con el patrón de apilamiento específico de seis capas y las colocó entre capas aislantes de nitruro de boro hexagonal con puertas basadas en grafito. Realizaron extensas mediciones variando la temperatura, los campos magnéticos, el número de portadores de carga y las intensidades del campo eléctrico. Estas pruebas revelaron una resistencia eléctrica nula indicativa de superconductividad, así como una respuesta anómala de Hall que sugiere un magnetismo orbital impulsado por el movimiento de los electrones. Además, las oscilaciones cuánticas permitieron al equipo reconstruir la superficie de Fermi e identificar los tipos de portadores de carga presentes.
El estudio identificó varios estados electrónicos, incluidos estados aislantes impulsados por interacciones, regiones que exhiben comportamiento superconductor y dos tipos distintos de magnetismo orbital. Cabe destacar que surgieron dos estados similares a los superconductores específicamente bajo condiciones donde coexistían portadores de electrones y huecos. Liu declaró que las interacciones entre estos dos tipos de portadores parecen jugar un papel central en la formación de estos estados inusuales. Los hallazgos principales incluyen el descubrimiento de un nuevo estado superconductor y un nuevo imán orbital multiferroico dentro de este régimen semimetálico fuertemente correlacionado.
Estos resultados resaltan el potencial del grafeno de seis capas para estudiar la superconductividad y los comportamientos magnéticos impulsados por interacciones electrónicas. Los investigadores están investigando ahora más a fondo los orígenes microscópicos del estado magnético orbital multiferroico observado. Liu señaló que el trabajo en curso plantea la posibilidad de que algunos portadores formen un cristal electrónico mientras otros permanecen en un estado conductor similar a un líquido. Determinar si este cristal produce magnetismo orbital o realiza un sólido electrónico topológico sigue siendo una pregunta abierta para futuras investigaciones.
Fuentes: Phys.org.