Un descubrimiento hace seis años tomó por asalto el mundo de la física de la materia condensada: el carbono ultrafino apilado en dos capas ligeramente diagonales se convirtió en un superconductor, y cambiar el ángulo de torsión entre las capas podría alternar sus propiedades eléctricas. El histórico artículo de 2018 que describe las “superredes de grafeno de ángulo mágico” lanzó un nuevo campo llamado “twisttronics” y fue escrito por primera vez por el entonces estudiante graduado del MIT y reciente becario junior de Harvard, Yuan Cao.
Junto con los físicos de Harvard Amir Yacobi, Eric Mazur y otros, Cao y sus colegas se han basado en ese trabajo fundamental, allanando el camino para una mayor ciencia de la twisttrónica al inventar una forma sencilla de torcer y estudiar muchos tipos de materiales.
Un nuevo documento en la naturaleza El equipo describe un dispositivo del tamaño de una uña que puede torcer materiales delgados a voluntad, reemplazando la necesidad de construir dispositivos retorcidos uno tras otro. Los materiales 2D delgados con propiedades que pueden estudiarse y manipularse fácilmente tienen inmensas implicaciones para los transistores de alto rendimiento, los dispositivos ópticos como las células solares y las computadoras cuánticas.
“Este desarrollo hace que sea más fácil controlar la densidad electrónica de los materiales 2D torciéndolos”, dijo Yacobi, profesor de física y física aplicada en Harvard. “Controlar la densidad ha sido el principal rompecabezas para descubrir nuevas fases de la materia en materia de baja dimensión, y ahora podemos controlar tanto la densidad como el ángulo de torsión, abriendo infinitas posibilidades de descubrimiento”.
Kao desarrolló por primera vez grafeno bicapa retorcido como estudiante de posgrado en el laboratorio de Pablo Jarillo-Herrero en el MIT. Por muy emocionante que fuera, el logro se vio atenuado por los desafíos de replicar el giro real.
En ese momento, fabricar cada dispositivo curvo era difícil y, como resultado, único y requería mucho tiempo, explicó Kao. Para hacer ciencia con estos dispositivos se necesitan decenas o incluso cientos de ellos. Se preguntaron si podrían crear “un dispositivo para torcerlos”, dijo Kao: una micromáquina que pudiera torcer dos capas de material a voluntad, eliminando la necesidad de cientos de muestras únicas. Llaman a su nuevo dispositivo una plataforma de actuación genérica basada en MEMS (sistema microelectromecánico) llamada Materiales 2D, o MEGA2D para abreviar.
Los laboratorios Yacobi y Mazur colaboraron en el diseño de este nuevo kit de herramientas, generalizable al grafeno y otros materiales.
“Al obtener esta nueva ‘perilla’ con nuestra tecnología MEGA2D, imaginamos que muchos de los enigmas subyacentes del grafeno retorcido y otros materiales se pueden resolver en un abrir y cerrar de ojos”, dijo Cao, ahora profesor asistente en la Universidad de California, Berkeley. “Sin duda traerá otros nuevos descubrimientos en el camino”.
En el artículo, los investigadores demostraron la utilidad de su dispositivo con dos piezas de nitruro de boro hexagonal, un pariente cercano del grafeno. Pudieron estudiar las propiedades ópticas del dispositivo bicapa y encontraron evidencia de cuasipartículas con codiciadas propiedades topológicas.
La simplicidad de su nuevo sistema abre una serie de vías científicas, por ejemplo, la creación de fuentes de luz utilizando twisttronics de nitruro de boro hexagonales que pueden usarse para comunicaciones ópticas de bajas pérdidas.
“Esperamos que nuestro enfoque sea adoptado por muchos otros investigadores en este rico campo y que todos puedan beneficiarse de estas nuevas capacidades”, dijo Cao.
El primer autor del artículo es el experto en nanociencia y óptica Haoning Tang, investigador postdoctoral en el laboratorio de Mazur y miembro de la Iniciativa Cuántica de Harvard, quien señaló que el desarrollo de la tecnología MEGA2D fue un largo proceso de prueba y error.
“No sabíamos mucho sobre cómo controlar las interfaces de materiales 2D en tiempo real, y los métodos existentes simplemente no eran suficientes”, dijo. “Después de pasar innumerables horas en la sala limpia y perfeccionar el diseño MEMS, a pesar de muchos intentos fallidos, finalmente encontramos una solución viable después de casi un año de experimentación”. Toda la nanofabricación se llevó a cabo en el Centro de Sistemas a Nanoescala de Harvard, donde el personal brindó un apoyo técnico invaluable, agregó Tang.
“La nanofabricación de un dispositivo que combina la tecnología MEMS con una estructura bicapa es una verdadera hazaña”, afirmó Mazur, profesor Balkansky de Física y Física Aplicada. “Como resultado, poder ajustar la respuesta no lineal del dispositivo abre la puerta a una clase completamente nueva de dispositivos en óptica y fotónica”.