Los físicos han desarrollado una técnica para alinear con precisión rejillas de supermoiré, revolucionando el potencial de la materia cuántica de muaré de próxima generación.

Físicos de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) han desarrollado una técnica para controlar con precisión la alineación de las redes de supermoiré utilizando un conjunto de reglas de oro, allanando el camino para el avance de la materia cuántica de muaré de nueva generación.

Celosía de supermoire

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 ángulo de torsión. El ángulo de torsión es el ángulo entre las orientaciones cristalográficas de las dos estructuras. Por ejemplo, cuando grafeno y el nitruro de boro hexagonal (hBN), que son materiales en capas, se superponen entre sí, los átomos de las dos estructuras no se alinean perfectamente, creando un patrón de franjas de interferencia, llamado patrón muaré. Esto da como resultado una 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 de muaré, se crea una nueva estructura llamada rejilla de supermoiré. En comparación con los materiales tradicionales de muaré simple, esta rejilla supermoiré amplía la gama de propiedades de materiales ajustables, lo que permite su uso potencial en una variedad mucho más amplia de aplicaciones.

Logros del Departamento de Física de NUS

Un equipo de investigación dirigido por el profesor Ariando del Departamento de Física de NUS ha desarrollado una técnica y logró con éxito la alineación controlada de la red supermoire hBN/grafeno/hBN. Esta técnica permite la disposición precisa de dos patrones muaré, uno encima del otro. Al mismo tiempo, los investigadores también formularon la «regla de oro de tres» para guiar el uso de su técnica para crear redes de supermoire.

Los resultados fueron publicados recientemente en la revista Comunicaciones naturales.

Una ilustración artística de la red supermoire con ángulos de torsión (θt y θb) formados 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). La ligera desalineación provoca que se forme un patrón de red supermoiré. Crédito: Comunicaciones de la naturaleza

Desafíos y Soluciones

La creación de una red de grafeno supermoire presenta tres desafíos principales. En primer lugar, la alineación óptica tradicional depende en gran medida de los bordes rectos del grafeno, pero encontrar una escama de grafeno adecuada requiere mucho tiempo y trabajo; En segundo lugar, incluso si se utiliza la muestra de grafeno de bordes rectos, existe una pequeña probabilidad de 1/8 de obtener una red supermoiré de doble alineación, debido a la incertidumbre en la quiralidad y simetría de los bordes de la red. En tercer lugar, aunque se pueden identificar la quiralidad de los bordes y la simetría de la red, los errores de alineación a menudo resultan ser grandes (más de 0,5 grados) porque es físicamente difícil alinear dos materiales de red diferentes.

El Dr. Junxiong Hu, autor principal del artículo de investigación, dijo: “Nuestra técnica ayuda a resolver un problema real. Muchos investigadores me han dicho que normalmente se tarda casi una semana en recoger una muestra. Con nuestra técnica, no sólo pueden reducir en gran medida el tiempo de fabricación, sino también mejorar en gran medida el precisión de la muestra.

Informaciones técnicas

Inicialmente, los científicos utilizan una «técnica de rotación de 30°» 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 de hBN superior e inferior. Con base en estos dos métodos, pueden controlar la simetría de la red y ajustar la estructura de bandas de la red de grafeno supermoire. También demostraron que el borde de grafito vecino puede servir como guía para la alineación de la pila. En este estudio, hicieron 20 muestras de muaré con una precisión superior a 0,2 grados.

El profesor Ariando dijo: “Hemos establecido tres reglas de oro para nuestra técnica que pueden ayudar a muchos investigadores de la comunidad de materiales bidimensionales. Muchos científicos que trabajan en otros sistemas fuertemente correlacionados, como el grafeno bicapa con torsión de ángulo mágico o el grafeno multicapa apilado ABC, también deberían beneficiarse de nuestro trabajo. Con esta mejora técnica, espero que acelere el desarrollo de la próxima generación de materia cuántica muaré.

Negocios futuros

Actualmente, el equipo de investigación está explotando esta técnica para fabricar la red supermoire de grafeno de una sola capa y explorar las propiedades únicas de este sistema material. Además, también extienden la técnica actual a otros sistemas materiales, con el fin de descubrir otros nuevos fenómenos cuánticos.

Referencia: “Alineación controlada de la red supermoire en heteroestructuras de grafeno de doble alineación” por Junxiong Hu, Junyou Tan, Mohammed M. Al Ezzi, Udvas Chattopadhyay, Jian Gou, Yuntian Zheng, Zihao Wang, Jiayu Chen, Reshmi Thottathil, Jiangbo Luo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Andrew Thye Shen Wee, Shaffique Adam y A. Ariando, 12 de julio de 2023. Comunicaciones naturales.
DOI: 10.1038/s41467-023-39893-5