Desarrollan un dispositivo de grafeno que conmuta entre conductor y aislante

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Investigadores del Berkeley Lab han desarrollado un dispositivo de grafeno que es más delgado que un cabello humano, pero tiene una profundidad de rasgos especiales.

Cambia fácilmente de un material superconductor que conduce la electricidad sin perder energía, a un aislante que resiste el flujo de corriente eléctrica (Foto: Especial).

De acueerdo con información del portal Agencia ID, así, cambia fácilmente de un material superconductor que conduce la electricidad sin perder energía, a un aislante que resiste el flujo de corriente eléctrica, y de nuevo a un superconductor, todo con un simple toque de un interruptor.

“Por lo general, cuando alguien quiere estudiar cómo interactúan los electrones entre sí en una fase cuántica superconductora en comparación con una fase aislante, necesitarían observar diferentes materiales. Con nuestro sistema, puede estudiar tanto la fase superconductiva como la fase aislante en un lugar”, dijo en un comunicado Guorui Chen, autor principal del estudio e investigador postdoctoral en el laboratorio de Feng Wang, quien dirigió el estudio.

El dispositivo de grafeno está compuesto por tres capas de grafeno atómicamente delgadas (2-D). Cuando se coloca entre capas 2-D de nitruro de boro, forma un patrón de repetición llamado super-enrejado de muaré. El material podría ayudar a otros científicos a comprender la complicada mecánica detrás de un fenómeno conocido como superconductividad de alta temperatura, donde un material puede conducir electricidad sin resistencia a temperaturas más altas de lo esperado, aunque todavía cientos de grados por debajo del punto de congelación.

En un estudio anterior, los investigadores informaron haber observado las propiedades de un aislante Mott en un dispositivo hecho de grafeno de tres capas. Un aislante Mott es una clase de material que de alguna manera deja de conducir electricidad a cientos de grados por debajo de la congelación a pesar de la teoría clásica que predice la conductividad eléctrica. Pero durante mucho tiempo se ha creído que un aislador Mott puede volverse superconductor agregando más electrones o cargas positivas para hacerlo superconductor, explicó Chen.

Durante los últimos 10 años, los investigadores han estado estudiando formas de combinar diferentes materiales 2-D, a menudo comenzando con grafeno, un material conocido por su capacidad para conducir de manera eficiente el calor y la electricidad. Fuera de este cuerpo de trabajo, otros investigadores habían descubierto que las superconducciones de muaré formadas con grafeno exhiben una física exótica como la superconductividad cuando las capas se alinean en el ángulo correcto.

Los investigadores utilizaron un refrigerador de dilución, que puede alcanzar temperaturas extremadamente frías de 40 milikelvins, o casi -273 grados Celsius: para enfriar el dispositivo de grafeno / nitruro de boro a una temperatura a la que los investigadores esperaban que la superconductividad apareciera cerca de la fase de aislamiento de Mott, dijo Chen.

Una vez que el dispositivo alcanzó una temperatura de 4 kelvins (-268 grados Celsius), los investigadores aplicaron un rango de voltajes eléctricos a las diminutas puertas superior e inferior del dispositivo. Como se esperaba, cuando aplicaron un campo eléctrico vertical alto a las puertas superior e inferior, un electrón llenó cada celda del dispositivo de nitruro de grafeno / boro. Esto hizo que los electrones se estabilizaran y permanecieran en su lugar, y esta “localización” de los electrones convirtió el dispositivo en un aislante Mott.

Luego, aplicaron un voltaje eléctrico aún mayor a las puertas. Para su entusiasmo, una segunda lectura indicó que los electrones ya no eran estables. En su lugar, se desplazaban, se movían de una celda a otra y conducían la electricidad sin pérdida ni resistencia. En otras palabras, el dispositivo había cambiado de la fase de aislamiento de Mott a la fase de superconductor.

Chen explicó que el efecto superirticado de nitrato de boro aumenta de alguna manera las interacciones electrón-electrón que tienen lugar cuando se aplica una tensión eléctrica al dispositivo, un efecto que se activa en su fase superconductora. También es reversible: cuando se aplica un voltaje eléctrico más bajo a las puertas, el dispositivo vuelve a un estado de aislamiento.

El dispositivo multitarea ofrece a los científicos un pequeño y versátil campo de juego para estudiar la exquisita interacción entre los átomos y los electrones en nuevos y exóticos materiales superconductores con uso potencial en computadoras cuánticas: computadoras que almacenan y manipulan información en cubits, que generalmente son partículas subatómicas, como electrones o fotones; así como los nuevos materiales aislantes Mott que algún día podrían convertir en realidad los diminutos transistores Mott 2-D para microelectrónica.

“Este resultado fue muy emocionante para nosotros. Nunca imaginamos que el dispositivo de nitruro de grafeno / boro funcionaría tan bien”, dijo Chen. “Se puede estudiar casi todo con él, desde partículas individuales hasta superconductividad. Es el mejor sistema que conozco para estudiar nuevos tipos de física”, dijo Chen.

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