Avance en materia cuántica: el giro de capas desvela nuevas propiedades de material
Un equipo internacional, liderado por el Donostia International Physics Center (DIPC), ha descubierto una nueva manera de diseñar materiales cuánticos novedosos apilando y girando capas de una manera especial
El trabajo publicado en Nature ofrece un nuevo marco en el diseño y fabricación de materiales cuánticos de próxima generación
Un grupo global liderado en parte por físicos y físicas del Donostia International Physics Center (DIPC) ha presentado un nuevo marco para la obtención de materia cuántica exótica a través del apilamiento y del giro. Sus descubrimientos, publicados en Nature, muestran una clase de materiales de muaré no investigados hasta ahora.
Estos modelos de interferencia óptica conocidos como muaré —que aparecen a veces al fotografiar rayas muy próximas entre sí— presentan un análogo en la escala atómica: cuando dos redes cristalinas se giran, surgen nuevos patrones electrónicos que transforman de raíz el paisaje de las propiedades cuánticas. Los materiales de muaré, creados al girar ligeramente dos capas atómicas finas una sobre la otra, se han convertido en la piedra angular de la física moderna de la materia condensada. La simple manipulación geométrica dota a estos sistemas girados de muaré propiedades cuánticas que no tienen las monocapas originales.
En un material cristalino el emplazamiento físico de los átomos en el espacio real se describe mediante sus coordenadas. Cada cristal se caracteriza también, en el espacio de momentos, por una red llamada recíproca que describe los posibles valores del momento de las partículas de cristal. La clave es que en el espacio de momentos de un cristal existen puntos especiales, como el punto K y el punto M, que muestran cómo se mueven e interactúan los electrones dentro de los materiales. Cada uno de esos puntos tiene unas propiedades únicas que pueden condicionar el comportamiento eléctrico u óptico del material.
Hasta ahora los estudios experimentales se han centrado casi exclusivamente en el giro de materiales hexagonales como el grafeno y de dicalcogenuros de metales de transición alrededor de los puntos K del espacio de momentos. Pero este método limita los comportamientos cuánticos que se pueden explorar. En cambio, el punto M representa una región completamente diferente del espacio de momentos, con simetría y propiedades electrónicas distintivas. El giro al rededor del punto M abre la puerta a fases cuánticas completamente nuevas que son inaccesibles desde el punto K.
«Al dirigir nuestra atención a los puntos M, ampliamos en gran medida el catálogo de posibles fases cuánticas», afirma Dumitru Călugăru, miembro Leverhulme-Peierls de la Universidad de Oxford y visitante de larga duración en el DIPC. «Hemos identificado materiales cuyo mínimo de banda, es decir, menor nivel electrónico de energía, se encuentra en estos puntos M, lo que ofrece un nuevo frente en el diseño de sistemas cuánticos de banda plana». Esos sistemas se estudian por su potencial en la construcción de fases exóticas de la materia, como la superconductividad de alta temperatura o líquido de spin.
El equipo investigador, que abarca campos como la física teórica y computacional, la química y la ciencia de los materiales, aúna diversas instituciones de Estados Unidos, España, Alemania, Canadá y Reino Unido. B. Andrei Bernevig, profesor de Física de la Universidad de Princeton y profesor Ikerbasque visitante en el DIPC, lidera el esfuerzo.
El equipo comenzó identificando sistemáticamente materiales monocapa en los que los estados de menor energía electrónica se encuentran en el punto M. Lo que llevó a seleccionar dos compuestos prometedores, SnSe₂ y ZrS₂, y al uso de simulaciones computacionales para “girar” teóricamente estos materiales. Lo que encontraron fue sorprendente: el giro creó bandas electrónicas excepcionalmente planas, una característica crucial para fuertes correlaciones electrónicas y para descubrir comportamientos cuánticos exóticos.
«Estos sistemas de puntos M se comportan de manera diferente a como lo hacen los de puntos K», dice Haoyu Hu, investigador de Princeton y ex posdoctorando en DIPC. “A pesar de que su estructura de banda electrónica parece simple, presentan un nuevo tipo de simetría que puede llevar a la casi-unidimensionalidad, lo que facilita nuevas formas de fenómenos cuánticos”.
Yi Jiang y Hanqi Pi, investigadores del DIPC, han realizado simulaciones a gran escala durante meses y han demostrado que un pequeño giro —de unos tres grados— da lugar a un banda plana, lo que mejora en gran medida las interacciones electrónicas y fomenta estados correlacionados no convencionales. «El giro puede posicionar los electrones tanto en una red hexagonal como en una tipo kagome», afirma Jiang. Pi añade que «Este posicionamiento supone que ahora podemos obtener experimentalmente varios estados cuánticos que pueden incluir los líquidos de spin cuántico.»
Los avances teóricos ya están siendo acompañados con mejoras experimentales. Algunos de los materiales predichos se han sintetizado en masa y ahora se están exfoliando para obtener hojas atómicamente delgadas y hacer realidad la posibilidad de construir estructuras giradas en M.
«La obtención experimental de estos materiales es fundamental. Una vez girados, cerrados y medidos estos nuevos estados cuánticos pueden convertirse en realidades tangibles», opina B. Andrei Bernevig. «Cada nuevo giro que realizamos parece traer nuevas sorpresas. Básicamente, estos materiales ofrecen una puerta de acceso a estados cuánticos de la materia que nadie había imaginado. Y como son muy controlables experimentalmente, las posibilidades son realmente ilimitadas», subraya.
Este trabajo sienta las bases para futuros avances experimentales y marca un punto de inflexión en la manera en que los científicos y científicas diseñan y exploran los materiales cuánticos de próxima generación.
