Descubren una nueva y extraña forma de magnetismo en el grafeno

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Descubren una nueva y extraña forma de magnetismo en el grafeno

Desde su descubrimiento hace casi 15 años, los científicos del mundo se han esforzado por descubrir cada una de las propiedades únicas del grafeno. Ahora, un equipo de investigadores acaba de encontrar que este material – uno de los más fuertes del mundo y que normalmente no es magnético – presenta una rara forma de magnetismo cuando se apila en estructuras de tres capas.

La investigación fue publicada en la revista Nature Physics.

Apilando capas de grafeno

El grafeno es un material hecho de una sola capa (monocapa) de átomos de carbono dispuestos en un patrón hexagonal, similar al de un panal de abeja. Es increíblemente ligero y fuerte, aunque es vulnerable al agrietamiento. Además, es un excelente conductor de electricidad, por lo que es adecuado para la electrónica.

Estudios recientes descubrieron que al apilar monocapas rotadas o bicapas rotadas de grafeno se presentaba una serie de estados electrónicos inusuales. El grafeno bicapa rotado está formado por dos láminas de grafeno colocadas una sobre la otra con cierto ángulo. Con esto en mente, las dudas no demoraron en aparecer en la mente de los investigadores.

Una lámina monocapa sobre una bicapa con un giro (Universidad de Colombia)

«Nos preguntamos qué pasaría si combináramos monocapas y bicapas de grafeno en un sistema rotado de tres capas», dijo Cory Dean, físico de la Universidad de Columbia en Nueva York. «Descubrimos que variar el número de capas de grafeno confiere a estos materiales compuestos algunas propiedades nuevas e interesantes que no se habían visto antes».

Para llevar a cabo su experimento, los investigadores apilaron una monocapa de grafeno sobre una bicapa y la giraron aproximadamente 1 grado. Luego estudiaron a esta estructura en forma de ‘sandwich’ en una variedad de escenarios.

Por ejemplo, el equipo sometió al sistema a temperaturas justo por encima del cero absoluto, el punto en el que se detiene todo movimiento molecular. A estas bajas temperaturas, se encontró que el grafeno dejó de conducir electricidad y se convirtió en un aislante.

Posteriormente, encontraron que estos estados podían controlarse aplicando un campo eléctrico a través de las láminas de grafeno. Cuando el campo eléctrico apuntaba hacia la monocapa, el sistema actuaba como una bicapa rotada de grafeno. Cuando apuntaba hacia la bicapa de grafeno, la pila adquirió las propiedades de una bicapa doble rotada, la cual está formada por dos bicapas.

«Aprendimos que la dirección de un campo eléctrico aplicado es muy importante», dijo Yankowitz, quien también es un ex investigador postdoctoral en el grupo de Dean.

¿Propiedades magnéticas?

Lo más impresionante del estudio es que los investigadores encontraron una forma rara de magnetismo presente en el sistema.

A diferencia de los imanes convencionales, que son impulsados ​​por una propiedad cuántica de los electrones llamada «espín», lo que produce el magnetismo aquí es el movimiento de remolino colectivo de los electrones en la estructura de tres capas.

Otros estudios recientes ya habían descubierto esta forma rara de magnetismo en  varias estructuras de grafeno que descansan sobre cristales de nitruro de boro. Sin embargo, el equipo ahora ha demostrado que también se puede observar en un sistema más simple construido completamente con grafeno.

“El carbono puro no es magnético», dijo Yankowitz. «Sorprendentemente, podemos diseñar esta propiedad colocando nuestras tres láminas de grafeno en los ángulos de giro correctos”.

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