Físicos descubren una importante e inesperada propiedad electrónica del grafeno

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Físicos descubren una importante e inesperada propiedad electrónica del grafeno

Representación artística de la estructura nanoscópica de un nuevo material ferroeléctrico / Ella Maru Studio

El grafeno nos sigue dando sorpresas 17 años después de haber sido descubierto. Investigadores del MIT hallaron ahora una propiedad electrónica importante e inesperada que podría impulsar las computadoras de próxima generación. Los detalles del avance fueron publicados en Nature.

Esta sustancia está compuesta por una sola capa de átomos de carbono dispuestos en hexágonos de manera semejante a una estructura de panal. Desde su descubrimiento, los científicos han demostrado que diferentes configuraciones de capas de grafeno pueden dar lugar a una variedad de propiedades importantes.

Grafeno bicapa

Las estructuras basadas en grafeno pueden ser superconductores (de la electricidad sin resistencia), o aislantes (impidiendo el movimiento de la electricidad). Incluso se ha descubierto que muestran magnetismo.

Ahora, los investigadores detectaron que el grafeno bicapa también puede ser ferroeléctrico. Esto significa que las cargas positivas y negativas del material pueden separarse espontáneamente en diferentes capas. En la mayoría de los materiales, las cargas opuestas se atraen entre sí. Solo la aplicación de un campo eléctrico las forzará hacia lados opuestos, o polos.

Al ser un material ferroeléctrico, no es necesario ningún campo eléctrico externo para mantener las cargas separadas, dando lugar a una polarización espontánea. Sin embargo, la aplicación de uno de ellos tiene un efecto: si es de dirección opuesta hará que las cargas cambien de lado e inviertan la polarización.

Materiales ferroeléctricos

Por todas estas razones, estos materiales se utilizan en una variedad de sistemas electrónicos, desde ultrasonidos médicos hasta tarjetas de identificación por radiofrecuencia. Aun así, los ferroeléctricos convencionales son aislantes.

No obstante, el ferroeléctrico basado en grafeno del equipo dirigido por el MIT funciona a través de un mecanismo completamente diferente que le permite conducir electricidad. Eso abre las puertas a aplicaciones adicionales.

Actualmente existen desafíos asociados con los ferroeléctricos convencionales que no se han podido superar. Por ejemplo, la fase ferroeléctrica se vuelve inestable a medida que el dispositivo continúa miniaturizándose. Con el nuevo material, algunos de esos desafíos pueden resolverse automáticamente

Nuevos patrones

La estructura que creó el equipo está compuesta por dos capas de grafeno intercaladas entre capas atómicamente delgadas de nitruro de boro (BN) arriba y abajo. Cada capa BN se encuentra en un ángulo ligeramente diferente de la otra. Mirando desde arriba, el resultado es una superrejilla muaré. Un patrón de muaré, a su vez, puede cambiar drásticamente las propiedades de un material.

Otro equipo ya había demostrado esto en 2018. En dicho trabajo, los investigadores apilaron dos capas de grafeno. Empero, esas capas no estaban exactamente una encima de la otra; sino una estaba ligeramente girada en un “ángulo mágico” de 1.1 grados. La estructura resultante creó un patrón muaré permitiendo que el grafeno fuera un superconductor o un aislante dependiendo de la cantidad de electrones en el sistema. Esencialmente, el equipo pudo ajustar el grafeno para que se comporte en dos extremos eléctricos.

En la nueva estructura con patrón de muaré, la física involucrada en el movimiento de electrones es diferente a la de los ferroeléctricos convencionales. Aparte de ser la primera demostración que reporta ferroelectricidad electrónica pura, también exhibe polarización de carga sin movimiento iónico en la red subyacente. Una de las posibles aplicaciones de este descubrimiento es en las memorias ultrarrápidas.

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