La disposición de los átomos dentro de un material dicta fundamentalmente el comportamiento de los electrones y los estados electrónicos resultantes. Las redes kagome, caracterizadas por patrones repetitivos de triángulos que comparten vértices con espacios hexagonales entre ellos, están teóricamente vinculadas a la aparición de propiedades electrónicas inusuales. Si bien estas estructuras han sido extensamente estudiadas en teoría, la mayoría de los materiales kagome existentes son tridimensionales, donde las interacciones entre capas a menudo oscurecen la física subyacente.
Un equipo liderado por Mingu Kang de la Universidad Nacional de Seúl y el Centro para Fases Complejas de Materiales ha logrado ahora un sistema kagome ideal de capa única, denominado "kagomene". Publicado en Nature Physics, su investigación detalla un nuevo material de van der Waals con la fórmula química A2T3X4. Este material ultradelgado permite a los investigadores aislar bandas electrónicas planas, donde los electrones se comportan como si tuvieran una masa efectiva extremadamente grande, dentro de una sola capa atómica.
Para identificar este material, los investigadores realizaron un cribado sistemático de alto rendimiento de una base de datos que contenía aproximadamente 183.000 materiales. Identificaron alrededor de 5.300 candidatos con estructuras de red kagome y los filtraron aún más para encontrar aquellos unidos por fuerzas débiles adecuadas para la exfoliación mecánica. Después de realizar cálculos de teoría del funcional de la densidad y sintetizar los candidatos más prometedores, lograron producir capas atómicamente delgadas.
Utilizando nano-ARPES, una técnica que mide los electrones liberados por un haz de luz enfocado, el equipo mapeó los estados electrónicos en estas muestras. Confirmaron la presencia de estados electrónicos de banda plana cerca del nivel de Fermi. Kang señaló que este sistema basado en kagome 2D logra una densidad electrónica de banda plana más de dos órdenes de magnitud mayor que los sistemas existentes basados en superredes moiré. Este aumento significativo se atribuye al hecho de que el estado de banda plana surge intrínsecamente de la geometría única de la red, en lugar de depender de superredes artificiales y grandes.
El descubrimiento proporciona una plataforma prometedora para explorar fenómenos cuánticos exóticos, incluida la superconductividad inusual y los estados cuánticos fraccionarios. Los cálculos de muchos cuerpos sugieren que el efecto Hall cuántico anómalo fraccionario en esta red kagome 2D podría emerger a escalas de energía o temperatura un orden de magnitud más alto que las observadas en las superredes moiré actuales. Específicamente, la escala predicha está entre 14 y 29 meV, en comparación con 1–5 meV en las plataformas existentes.
De cara al futuro, el equipo planea desarrollar dispositivos eléctricamente sintonizables basados en estas redes kagome 2D. Su objetivo es investigar si las fuertes interacciones electrónicas dentro de la banda plana pueden generar nuevos estados cuánticos como magnetismo o estados topológicos fraccionarios a temperaturas mucho más altas. Esta primera plataforma genuina de kagome 2D también abre nuevas direcciones de investigación, incluida la fabricación de heteroestructuras de van der Waals y superestructuras moiré basadas en estas redes.
Fuentes: Phys.org.