grafeno bicapa retorcido

Un violín Stradivarius solo puede hacerse con madera que creció en condiciones especiales. Durante mucho tiempo se pensó que el grafeno para efectos cuánticos delicados debía exfoliarse con cinta adhesiva del grafito, y que un cristal cultivado en probeta no era capaz de ello.

Una cerradura con dos llaves distintas: una gira con facilidad, la otra exige un esfuerzo notable. Así se comportan dos capas de nitruro de boro hexagonal cuando se giran una respecto a la otra. Este material está formado por átomos de boro y nitrógeno dispuestos en una red hexagonal, y sus capas pueden adoptar diferentes posiciones, como dos rejillas idénticas desplazadas un cierto ángulo.

Un violín Stradivarius solo puede hacerse con madera que creció en condiciones especiales. Durante mucho tiempo se pensó que el grafeno para efectos cuánticos delicados debía exfoliarse con cinta adhesiva del grafito, y que un cristal cultivado en probeta no era capaz de ello.

Una baraja de cartas en la que cada carta está ligeramente girada no puede quedar perfectamente alineada: los dorsos y los diseños nunca coinciden. Pero si las cartas son flexibles, comienzan a ajustarse, desplazándose fracciones de milímetro para encontrar la coincidencia ideal. Algo similar ocurre dentro de los cristales cuando dos capas gruesas de MoS2 o de MoS2 con WS2 se apilan con una rotación de 1 a 2 grados.

Tres voces que se funden en un solo acorde. En la física de materiales cuánticos, esta imagen cobra un sentido literal: tres capas de grafeno, separadas por finos espaciadores, hacen que electrones y huecos de distintas capas se muevan como un único líquido.

Un espejo que vuela a casi cuarenta mil kilómetros por segundo. La luz que incide sobre él rebota, pero ya no es la misma: como una pelota que es devuelta por una raqueta en movimiento. Ese espejo es lo que los científicos han construido dentro de una finísima hebra de vidrio rellena de hidrógeno.

En un pasillo estrecho, la gente no camina en masa, sino en filas. El número de filas depende del ancho del paso. En el grafeno, el papel de ese pasillo lo desempeña un contacto puntual cuántico: una constricción donde los electrones se mueven balísticamente, sin dispersarse.

Una tubería de agua: cuanto más ancha es, más agua deja pasar. En los contactos superconductores —las uniones de Josephson (puentes por los que la corriente fluye sin resistencia)— suele ocurrir lo mismo: cuanto mejor conduce el material en estado normal, mayor es la corriente superconductora que lo atraviesa.

En las capas delgadas del cristal de seleniuro de tantalio (TaSe₂) se esconde una propiedad que desafía a la física convencional. Cuando se añadieron átomos invitados entre las capas de este material, la estructura perdió su centro de simetría — y en su interior surgió una superconductividad blindada.

Normalmente la luz no convierte un aislante en conductor: para eso se necesitan pulsos láser potentes que rompan la estructura del material. Pero en el grafeno bicapa retorcido en ángulo mágico todo es distinto.

Un fino sándwich de dos materiales distintos. Se hace pasar una corriente eléctrica — y la capa superior se magnetiza en una dirección, mientras que la inferior lo hace en la opuesta. No es un truco, sino el efecto Edelstein de capas (del inglés layer Edelstein effect), que acaban de describir los físicos.

Dos capas de diseleniuro de wolframio —no de carbono, sino de un compuesto de wolframio y selenio— se giran una respecto a la otra un ángulo diminuto, de unos 5 grados. Surge un patrón de moiré: una red periódica aumentada donde los electrones se comportan de manera muy distinta a como lo hacen en un cristal ordinario.

En el mundo de los materiales bidimensionales a veces nacen estados tan inusuales como frágiles. Uno de ellos — el cristal anómalo fraccionario de Hall (FAHC) — es como un centauro cuántico: mitad red ordenada, mitad líquido topológico.

Un interruptor que sabe por sí solo hacia dónde fluir. Así funciona un diodo de Josephson: un puente superconductor donde la corriente pasa con facilidad en un sentido y encuentra resistencia en el otro. En el nuevo trabajo, ese puente se fabricó con grafeno, una lámina de carbono de un átomo de espesor.

Un cable de teléfono muy retorcido se revienta y chispea. Así se comportan los campos magnéticos en el Sol: se retuercen, se rompen y se reconectan, alimentando las erupciones. Los astrónomos vieron este proceso directamente por primera vez. Un lazo estaba retorcido 540 grados — una vuelta completa y media más. Esto es tres veces más de lo que se creía posible.

Dos láminas finísimas, cada una de un solo átomo de grosor, se colocan una sobre otra y se giran ligeramente. Como dos hojas de papel de calco de colores: mientras están alineadas, la imagen es una, pero en cuanto se gira una, aparece un patrón muaré. Aquí, claro, el patrón no se ve a simple vista, pero cambia por completo la forma en que el material interactúa con la luz.

Embalsosa el suelo con triángulos idénticos y obtendrás un patrón aburrido y repetitivo. ¿Y si quieres que el diseño nunca se repita, pero con una sola baldosa? Durante mucho tiempo, los matemáticos estaban convencidos de que eso era imposible: se necesitaban al menos dos figuras distintas.

Dos láminas de semiconductor tan finas como papel se superponen y se giran ligeramente, unos tres o cuatro grados. Las redes atómicas no coinciden y aparece un patrón grande: el muaré, parecido a la ondulación de dos tablas de lavar desplazadas un pequeño ángulo. En este patrón, los electrones se mueven de manera muy distinta a como lo hacen en un cristal normal.

Un pastel en capas de planos atómicos de níquel y oxígeno: así están hechos los niquelatos de doble capa. En ellos, dos de estos planos están separados por una interlámina. Si en esa interlámina se encuentra un átomo de oxígeno, actúa como un puente: conecta las capas y activa un estado en el que los electrones se mueven sin resistencia.

Las capas de un material delgado, giradas una respecto a la otra, recuerdan a dos rejillas superpuestas. En los puntos donde se cruzan las líneas surge un nuevo patrón: el moiré. En este patrón, los electrones se mueven de manera diferente a como lo hacen en un cristal ordinario y pueden formar estados inesperados.

Una lámina de grafeno es una red de átomos de carbono con el grosor de un solo átomo. Si se apilan varias de estas láminas con un desplazamiento especial, se obtiene un material con propiedades inusuales: puede ser un imán o un superconductor, dependiendo de cómo se le aplique un estímulo.

Una lámina de ditelururo de tungsteno de un átomo de grosor se parece a un papel de aluminio fino: los electrones no la atraviesan porque entre sus estados posibles hay una banda prohibida, como una zanja que no se puede saltar. Añade dos capas más, y la zanja desaparece: el material se vuelve metálico y la corriente fluye.

El grafeno es una película de carbono de exactamente un átomo de espesor. Dos láminas de este material, colocadas una sobre otra con una ligera rotación, se comportan de manera muy distinta a una sola lámina.

La superconductividad se parece a un baile de electrones: se mueven en parejas sin perder energía. En los superconductores convencionales, este baile lo marca la velocidad de los electrones.

Una pila de papel: si las hojas están perfectamente alineadas, la luz las atraviesa de manera uniforme. Pero basta con girar una hoja unos pocos grados para que la imagen cambie. Algo similar ocurre con las capas de ciertos materiales: si las giras unas respecto a otras, sus propiedades cambian, a veces de forma radical.

Una lámina de grafeno es una red de átomos de carbono de un átomo de espesor. En ella se ven las más mínimas impurezas, como motas de polvo en los cristales de las gafas. Hace diez años se aprendió a esconder el grafeno entre capas de nitruro de boro, algo así como poner una hoja frágil entre dos trozos de film transparente.

Una lámina de grafeno, una red de carbono de un átomo de espesor, bajo el haz de un láser potente se comporta como una carretera en la que de repente aparece una barrera. Los electrones, que antes corrían libremente por el material, se topan con una banda prohibida: un intervalo de energías que no pueden saltar.

Dos láminas de grafeno —una película de carbono de un átomo de espesor— sin giro recuerdan a un puerto atestado de bancos de arena: los iones de litio o encallan o pasan de largo sin detenerse. Pero un giro de 9,43° abre un canal perfecto. Los barcos-ión atracan con seguridad en los «muelles» de carbono y zarpan de inmediato sin perder velocidad.

Una cesta tejida con mimbre mantiene su forma gracias al entrelazado. Un patrón similar —triángulos unidos en una red plana— se ha descubierto en un nuevo cristal con fórmula Cs₃V₉Te₁₃. Aquí, los átomos de vanadio forman dos conjuntos de triángulos que se atraviesan mutuamente, como hilos en una tela.

Una lámina de grafeno de un átomo de espesor es como una malla metálica flexible por la que los electrones se mueven casi sin obstáculos. Apila dos de estas láminas con un ligero desplazamiento y las propiedades del material cambian drásticamente: puede convertirse en un aislante que no conduce la corriente.

Una lámina de grafeno de un átomo de espesor se retuerce en un ángulo pequeño, y comienza a comportarse como un pastel de capas, donde las capas están ligeramente giradas entre sí. En un cierto ángulo de giro, este material se convierte en superconductor: los electrones comienzan a moverse en pares, como bailarines de vals, sin perder energía.

El cristal de seleniuro de bismuto (Bi₂Se₃) es simétrico por sí mismo, como un sándwich bien preparado: dale la vuelta y nada cambia. Pero basta con girar ligeramente una capa respecto a la otra para que la simetría se rompa. El material comienza a 'sentir' de qué lado llega la luz y responde con una corriente eléctrica.

Los circuitos superconductores suelen construirse sobre uniones Josephson, lugares donde la corriente fluye sin resistencia a través de una barrera delgada. Normalmente, esa barrera es una capa de óxido, pero sus propiedades son difíciles de controlar a escala nanométrica.

Una lámina de grafeno de un átomo de espesor es como un mantel perfectamente liso sobre el que ruedan bolitas electrónicas. Coloca una barrera eléctrica en el camino de esas bolitas y, normalmente, rebotarán hacia atrás.

Dos capas de material magnético, giradas entre sí fracciones de grado, como dos rejillas ligeramente desplazadas en una ventana. En estado normal no producen nada especial, pero con un cierto ángulo de giro surge en el material un efecto inesperado.

El bismuto bidimensional sobre un sustrato de silicio es un material prometedor para la electrónica del futuro. Sus bordes conducen la corriente sin pérdidas, como una autopista de alta velocidad sin semáforos. Pero el bismuto es delicado: el aire y la humedad deterioran rápidamente sus propiedades.

Un destello láser golpea una capa de plata de un átomo de espesor depositada sobre grafeno bicapa, y en billonésimas de segundo se abre en la estructura electrónica del grafeno una brecha que antes no existía.

En capas de telururo de molibdeno retorcidas bajo un cierto ángulo, los electrones se comportan de manera inusual: pueden dividirse en partes. Es como si un pastel entero de repente comenzara a cortarse en porciones exactamente iguales, aunque solo haya un cuchillo en las manos.

Un superconductor es un material donde la corriente eléctrica fluye sin pérdidas, como el agua por una tubería perfectamente lisa. Pero si aparecen vórtices, la corriente empieza a 'tropezar' con esos pequeños remolinos. En el grafeno retorcido en un ángulo especial, se pueden crear y estudiar estos vórtices uno a uno.

Una campana no suena con una sola nota: tras el golpe, resuenan varias armónicas a la vez. Algo parecido ocurre con el núcleo atómico: después de una colisión, puede vibrar, y esas vibraciones se detectan en los rayos gamma emitidos. Pero en el núcleo de niobio-104, con 41 protones y 63 neutrones, las armónicas resultaron ser más de las esperadas.