Apilar capas de materiales bidimensionales una encima de otra y variar el ángulo de torsión entre ellas altera enormemente sus propiedades electrónicas. El truco consiste en conseguir el ángulo de giro perfecto y saber cuándo lo has conseguido. Investigadores en China han desarrollado una técnica que ayuda con la segunda parte de este desafío. Al permitir a los científicos visualizar directamente las variaciones en los ángulos de torsión locales, la nueva técnica arroja luz sobre la estructura electrónica de los materiales retorcidos y acelera el desarrollo de dispositivos que exploten sus propiedades.

El grafeno (una forma 2D de carbono de solo un átomo de espesor) no tiene banda prohibida electrónica. Tampoco un par de capas de grafeno apiladas una encima de la otra. Sin embargo, si agrega otro material 2D llamado nitruro de boro hexagonal (hBN) a la pila, surge una banda prohibida. Esto se debe a que la constante de red del hBN (una medida de cómo están dispuestos sus átomos) es casi la misma que la del grafeno, pero no exactamente. Las capas ligeramente desiguales de grafeno y hBN forman una estructura más grande conocida como superred muaré, y las interacciones entre los átomos cercanos en esta superred permiten que se forme una brecha. Si luego las capas se tuercen para que queden aún más desalineadas, las interacciones de la red se debilitan y la banda prohibida desaparece.

Lograr tales cambios en materiales convencionales generalmente requiere que los científicos alteren la composición química de los materiales. Variar el ángulo de torsión entre capas de un material 2D es un enfoque completamente diferente, y las posibilidades asociadas impulsaron un nuevo campo de la ingeniería de dispositivos conocido como twistrónica. El problema es que los ángulos de torsión son difíciles de controlar, y si diferentes áreas de una muestra contienen ángulos de torsión distribuidos de manera desigual, las propiedades electrónicas de la muestra variarán de un lugar a otro. Esto está lejos de ser ideal para dispositivos de alto rendimiento, por lo que los investigadores han estado explorando formas de visualizar tales faltas de homogeneidad con mayor precisión.

Un nuevo método basado en sMIM

En el nuevo trabajo, un equipo dirigido por Hong Jun Gao y Shiyu Zhu de las Instituto de Física, Academia de Ciencias de China, adaptó un método llamado microscopía de impedancia de microondas de barrido (sMIM) que fue desarrollado recientemente por Shen Zhixun y colegas en Universidad de Stanford en los EE.UU. El método adaptado implica aplicar una variedad de voltajes de puerta a la muestra y analizar las fluctuaciones de conductividad en los datos sMIM en diferentes posiciones en ella. "Este proceso proporciona los voltajes de puerta correspondientes a las bandas prohibidas de muaré, que son indicativas de bandas electrónicas completamente llenas, revelando directamente detalles sobre la superred de muaré y los ángulos de torsión locales", explica Zhu.

Cuando los investigadores probaron este método en muestras de alta calidad de grafeno bicapa retorcido fabricado por sus colegas Qianying Hu, Yang Xu y Jiawei Hu, pudieron detectar directamente variaciones de los ángulos de torsión. También obtuvieron información sobre la conductividad de áreas localizadas y caracterizaron otros estados electrónicos, como los estados cuánticos de Hall y los aisladores de Chern, mediante la aplicación de campos magnéticos fuera del plano. "Hicimos estas mediciones al mismo tiempo", señala Zhu. "Esto nos permitió obtener directamente información del estado cuántico en diferentes condiciones de ángulo de torsión local".

La nueva técnica reveló variaciones pronunciadas en los ángulos de torsión locales de alrededor de 0.3° en distancias de varias micras, añade. También permitió al equipo medir la conductividad local, lo que no es posible con métodos alternativos que utilizan transistores de un solo electrón para medir la compresibilidad o nanoSQUID para medir campos magnéticos. Es más, para muestras de grafeno bicapa retorcido cubierto por una capa aislante de BN, el nuevo método tiene una ventaja significativa sobre la microscopía de barrido de túneles convencional, ya que puede penetrar la capa aislante.

Explorando nuevos estados cuánticos

"Nuestro trabajo ha revelado la variación del ángulo de torsión local dentro y entre dominios de un material bidimensional retorcido", dice Zhu. Mundo de la física. “Esto ha profundizado nuestra comprensión del estado microscópico de la muestra, lo que nos permite explicar muchos fenómenos experimentales observados previamente en mediciones de 'promedio masivo'. También proporciona una manera de explorar nuevos estados cuánticos que son difíciles de observar macroscópicamente, ofreciendo conocimientos desde una perspectiva microscópica”.

Gracias a estas mediciones, la desigualdad de los ángulos de torsión locales en materiales bidimensionales retorcidos ya no debería ser un obstáculo para el estudio de nuevos estados cuánticos, añade. "En cambio, gracias a la rica distribución de ángulos de torsión locales que hemos observado, ahora debería ser posible comparar simultáneamente varios estados cuánticos bajo múltiples condiciones de ángulos de torsión locales y condiciones de estructura de banda en una sola muestra".

Los investigadores ahora pretenden ampliar su técnica a una gama más amplia de sistemas retorcidos y sistemas muaré de heteroestructura, por ejemplo, en materiales como el MoTe bicapa retorcido.₂ y WSe₂/ WS₂. También les gustaría realizar mediciones promedio en masa y comparar estos resultados con mediciones locales utilizando su nuevo método.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/local-twist-angles-in-graphene-come-into-view/