Sorpresa magnética revelada en grafeno de ‘ángulo mágico’

Cuando dos hojas de grafeno de 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 cerca del cero absoluto, de repente se convierte en un superconductor, lo que significa que conduce electricidad con resistencia cero.

Ahora, un equipo de investigación de la Universidad de Brown ha descubierto un fenómeno nuevo y sorprendente que puede surgir en el grafeno de ángulo mágico. En 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 ferromagnético.

«El magnetismo y la superconductividad generalmente se encuentran en extremos opuestos del espectro en la física de la materia condensada, y es raro que aparezcan en la misma plataforma de 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 da una nueva forma de estudiar la interacción entre la superconductividad y el magnetismo, y ofrece nuevas y emocionantes posibilidades para la investigación de la 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 en forma de 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 ponen aún más interesantes cuando se apilan hojas 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 ya interesante sistema. El acoplamiento espín-órbita es un estado de comportamiento de los electrones en ciertos materiales en el que el espín de cada electrón, su minúsculo 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, investigador postdoctoral en Brown y autor 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 interconectaron grafeno de ángulo mágico con un bloque de diselenuro de tungsteno, un material que tiene un fuerte acoplamiento de giro-órbita. La alineación de la pila induce con precisión un acoplamiento de órbita-giro 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 de órbita de espín, donde el magnetismo intrínseco se puede controlar 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 les da a los científicos una nueva perilla experimental para girar en el esfuerzo por comprender el comportamiento del grafeno de ángulo mágico», dijo Erin Morrissette, una estudiante graduada de Brown que realizó algunos de los trabajos experimentales. «Los hallazgos también tienen el potencial para nuevas aplicaciones de dispositivos».

Una posible aplicación está 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 ferromagnético 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 son generalmente destructivos para 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 poco común en física, y sin duda despertará más entusiasmo»

La investigación fue apoyada principalmente por la Universidad de Brown. Los coautores adicionales son Ya-Hui Zhang, Zhi Wang, Song Liu, Daniel Rhodes, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi y James Hone.