Obligados a recorrer un laberinto de átomos de carbono dispuestos de forma única en pilas retorcidas, los electrones hacen cosas bastante peculiares. Investigadores de la Universidad de Columbia Británica en Canadá, la Universidad de Washington y la Universidad Johns Hopkins en los EE. UU., y el Instituto Nacional de Ciencia de los Materiales en Japón descubrieron recientemente un nuevo y extraño estado de la materia en la dinámica de las corrientes que fluyen a través de capas de grafeno. Los hallazgos confirman las predicciones sobre cómo deberían comportarse los electrones cuando se los comprime en disposiciones cristalinas y pueden aportar nuevas ideas sobre cómo lograr enfoques confiables para la computación cuántica o revelar formas de desarrollar la superconducción a temperatura ambiente.
“El punto de partida de este trabajo son dos láminas de grafeno, que están formadas por átomos de carbono dispuestos en una estructura de panal”, dice el autor principal del estudio, Joshua Folk, un físico de materia condensada en la Universidad de Columbia Británica.
“La forma en que los electrones saltan entre los átomos de carbono determina las propiedades eléctricas del grafeno, que termina siendo superficialmente similar a los conductores más comunes como el cobre”.
En las últimas décadas, el grafeno se ha considerado cada vez más como un material maravilloso, ya que su red de átomos de carbono está conectada de tal manera que deja que los electrones sobrantes salten como fichas en un juego de damas cuánticas. Los físicos han modificado constantemente las reglas de este juego, encontrando formas nuevas e inusuales de alterar las propiedades de resistencia o coordinarse en estados exóticos. Por estas razones, el grafeno se ha convertido en un campo de juego perfecto para buscar pistas sobre la conductividad de baja resistencia o probar los límites de varios efectos cuánticos.
Uno de estos efectos es la “congelación” de los electrones en posiciones restringidas, convirtiéndolos efectivamente de una masa fluida similar a un líquido en algo con estructura. Conocida como cristal de Wigner, esta fase de electrones tiene formas y comportamientos característicos que los investigadores creían comprender bien.
En esta serie de experimentos, los investigadores retorcieron pilas de láminas de grafeno de un solo átomo de una manera que obligó a los átomos de carbono no unidos a alinearse en lo que se describe como un efecto moiré. Los efectos moiré no son difíciles de encontrar en nuestro mundo cotidiano. Vistos en pilas de mallas o pantallas, aparecen como líneas, círculos o curvas repetidas a medida que los contrastes en la oscuridad y la luz que forman la malla se combinan o cancelan.
Solo que en este caso, las estructuras contrastantes en el grafeno retorcido causan estragos en la geometría del electrón, o lo que se conoce como la topología de su paisaje. El resultado es un cambio en la velocidad del electrón, y algunos incluso desarrollan una torsión a medida que se mueven a lo largo de los bordes del material.
“Esto conduce a un comportamiento paradójico del cristal electrónico topológico que no se observaba en los cristales Wigner convencionales del pasado: a pesar de que el cristal se forma al congelar electrones en una matriz ordenada, puede conducir electricidad a lo largo de sus límites”, dice Folk.
Es en este extraño nuevo reino del comportamiento de los electrones donde surgen actividades extrañas, como la cuantificación de la resistencia conocida como el efecto Hall cuántico. Nuevos estados de actividad topológica como este son una potencial mina de oro para los físicos interesados en explorar formas de crear unidades de computación cuántica conocidas como qubits que sean más resistentes que los tipos convencionales basados en partículas fundamentales.
La contorsión de pilas estrechas de grafeno para formar el equivalente electrónico de una banda de Möbius podría ser solo el comienzo. Se cree que la geometría a esta escala ofrece un extraño zoológico de cuasipartículas electrónicas con todo tipo de nuevas y retorcidas leyes de la física.
Esta investigación fue publicada en Nature.
Fuente: Science Alert.
