«Reglas de oro» para construir masas atómicas

Los físicos han desarrollado una técnica para alinear con precisión redes ultraonduladas, revolucionando la posibilidad de la materia cuántica ondulada de próxima generación.

Físicos de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) han desarrollado una técnica para controlar con precisión la alineación de superredes onduladas utilizando un conjunto de reglas de oro, allanando el camino para la próxima generación de materia cuántica ondulada.

Abrazaderas de supermoiré

Los patrones muaré se forman cuando se superponen dos estructuras periódicas idénticas con un ángulo de torsión relativo entre ellas o dos estructuras periódicas diferentes pero superpuestas con o sin un ángulo de torsión entre ellas. El ángulo de torsión es el ángulo entre las orientaciones cristalográficas de las dos estructuras. Por ejemplo, cuando Grafeno El nitruro de boro hexagonal (hBN) es un material en capas superpuestas, y los átomos en las dos estructuras no se alinean perfectamente, creando un patrón de franjas de interferencia, llamado patrón muaré. Esto conduce a la reconstrucción electrónica.

El patrón muaré en grafeno y hBN se ha utilizado para crear nuevas estructuras con propiedades exóticas, como corrientes topológicas y estados de mariposa de Hofstadter. Cuando se apilan dos patrones muaré, se crea una nueva estructura llamada malla muaré. En comparación con los materiales tradicionales de corrugación simple, esta red súper corrugada amplía la gama de propiedades de materiales ajustables, lo que permite su uso potencial en una gama mucho más amplia de aplicaciones.

Logros del Departamento de Física de la Universidad NUS

Un equipo de investigación dirigido por el profesor Ariando del Departamento de Física de la Universidad Nacional de Singapur ha desarrollado una técnica y logró lograr la alineación controlada de la red supermoiré hBN/grafeno/hBN. Esta técnica permite la disposición precisa de dos patrones muaré, uno encima del otro. Mientras tanto, los investigadores también formularon la «regla de oro de tres» para guiar el uso de su técnica para crear redes súper onduladas.

Los resultados fueron publicados recientemente en la revista Comunicaciones de la naturaleza.

Ilustración artística de la superred con esquinas retorcidas (θt y θb) formada entre el grafeno y la capa superior de nitruro de boro hexagonal (T-hBN) y la capa inferior de nitruro de boro hexagonal (B-hBN). Una ligera desalineación da como resultado la formación de un patrón de malla súper ondulado. Crédito: Comunicaciones de la naturaleza

Desafíos y soluciones

Hay tres desafíos principales en la creación de la red de grafeno ultrarizado. En primer lugar, la alineación óptica convencional depende en gran medida de los bordes rectos del grafeno, pero encontrar una oblea de grafeno adecuada requiere mucho tiempo y trabajo; En segundo lugar, incluso si se utiliza una muestra de grafeno con bordes rectos, existe una probabilidad baja de 1/8 de obtener una red superondulada doblemente alineada, debido a la incertidumbre de la asimetría de los bordes y la simetría de la red. En tercer lugar, aunque se puede determinar la simetría de los bordes y la simetría de la malla, los errores de alineación suelen ser grandes (superiores a 0,5°), ya que es físicamente difícil alinear dos materiales de malla diferentes.

El Dr. Junxiong Hu, autor principal del artículo de investigación, dijo: “Nuestra tecnología ayuda a resolver un problema de la vida real. Varios investigadores me han dicho que normalmente se tarda alrededor de una semana en hacer la muestra. Con nuestra tecnología, no sólo pueden acortar en gran medida el tiempo de fabricación, sino también mejorar enormemente Exactitud de la muestra.»

Perspectivas artísticas

Inicialmente, los científicos utilizan una “técnica de rotación de 30 grados” para controlar la alineación de las capas superiores de hBN y grafeno. Luego utilizan una «técnica de inversión» para controlar la alineación de las capas superiores de hBN y las capas inferiores de hBN. Con base en estos dos métodos, pueden controlar la simetría de la red y ajustar la estructura de bandas de la superred de grafeno. También demostraron que un borde de grafito adyacente puede servir como guía para la alineación del apilamiento. En este estudio, fabricaron 20 muestras de muaré con una precisión superior a 0,2 grados.

El profesor Ariando dijo: “Hemos establecido tres reglas de oro para nuestra tecnología que pueden ayudar a muchos investigadores de la comunidad de materiales 2D. También se espera que nuestro trabajo beneficie a muchos científicos que trabajan en otros sistemas fuertemente interconectados, como el grafeno bicapa retorcido en ángulo mágico o el grafeno multicapa apilado ABC. A través de esta mejora técnica, espero que acelere el desarrollo de la próxima generación de materia cuántica ondulatoria.

Proyectos futuros

Actualmente, el equipo de investigación está aprovechando esta tecnología para fabricar una red de grafeno súper ondulada de una sola capa y explorar las propiedades únicas de este sistema material. Además, también están extendiendo la técnica actual a otros sistemas físicos, para descubrir otros nuevos fenómenos cuánticos.

Referencia: “Alineación controlada de la red de superondas en heteroestructuras de grafeno doblemente alineadas” por Junxiong Hu, Junyou Tan, Mohamad M. Al Ezzi, Udvas Chattopadhyay, Jian Gou, Yuntian Zheng, Zihao Wang, Jiayu Chen, Reshmi Thottathil, Jiangbo Luo, Kenji Watanabe , Takashi Taniguchi, Andrew Thi Chien Wei, Shafik Adam y A. Ariando, 12 de julio de 2023, Comunicaciones de la naturaleza.
doi: 10.1038/s41467-023-39893-5