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9 de Abril de 2021
Física de materiales

Los electrones del grafeno se «congelan» con el calor

Los electrones de un material suelen moverse más cuanto mayor es la temperatura, pero en las bicapas de grafeno giradas ocurre justo lo contrario.

[Mikemareen/iStock]

Por lo general los objetos congelados se descongelan al calentarse. Pero al apilar dos capas de grafeno y girarlas entre sí parece tener lugar un fenómeno opuesto: los electrones se quedan «congelados» al aplicar calor, de acuerdo con dos artículos recientemente publicados en Nature, en uno de los cuales participa Pablo Jarillo-Herrero, del Instituto de Tecnología de Massachusetts. El efecto ocurre cuando las dos capas de grafeno forman un «ángulo mágico» de aproximadamente 1,1 grados (el mismo ángulo para el que el sistema se convierte en superconductor), y los niveles de energía están ocupados por una cantidad concreta de electrones.

Esta configuración normalmente conduce la electricidad como un metal, pero al calentarla por encima de unos 10 kelvin, los electrones móviles (que forman lo que se conoce como un líquido de Fermi) se quedan fijos: se «congelan». Y no es solo una metáfora, sino una verdadera transición de fase en la que el sistema pasa de tener propiedades metálicas a ser casi aislante, según los investigadores. El fenómeno es análogo al efecto Pomeranchuk en el helio 3, un isótopo que, en determinadas condiciones, pasa de líquido a sólido al aumentar la temperatura.

El curioso fenómeno tiene que ver con las propiedades especiales del grafeno bicapa con ángulo mágico. La rotación de las capas no solo produce un bonito patrón de muaré, sino también una estructura electrónica inusual con bandas de energía muy planas. Como resultado, los electrones tienen poca energía cinética, mientras interactúan muy fuertemente entre sí a través de la fuerza electrostática. Esos electrones son los responsables de las propiedades especiales del grafeno bicapa girado: dependiendo de cómo de llenas de electrones estén las bandas de energía, el sistema puede convertirse en un superconductor o un aislante.

Los patrones de muaré aparecen cuando se superponen varias redes periódicas ligeramente giradas entre sí, como dos capas de grafeno. [<a href="https://www.nist.gov/news-events/news/2010/04/seeing-moire-graphene" target="_blank">Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE.UU. (NIST)</a>]

A nivel termodinámico, el efecto se basa en una curiosa inversión de la situación más habitual. Normalmente, un líquido tiene más entropía (una medida del desorden) que el sólido correspondiente; dado que las temperaturas más altas favorecen los estados con mayor entropía, las sustancias se derriten cuando se calientan. Del mismo modo, los metales suelen tener más entropía que los aislantes (dado que los electrones del metal están más desordenados), así que en general cabe esperar que los aislantes se conviertan en metales al aumentar la temperatura.   

Sin embargo, en el efecto Pomeranchuk (tanto el del helio como el del grafeno) las entropías se comportan justamente al contrario. Esto puede ocurrir si el sistema posee otra propiedad capaz de incrementar la entropía, compensando así la menor entropía que tendría en principio el estado «congelado».

En el efecto Pomeranchuk clásico del helio 3, esa propiedad es el espín (el momento angular intrínseco) de los átomos, cuyas fluctuaciones hacen que la entropía total sea mayor en el helio sólido que en el líquido. La «congelación» de los electrones en el grafeno girado se explica de manera muy similar: a partir de lo que se denomina el isospín de los electrones, una combinación del espín y otro grado de libertad.

En el líquido de Fermi de la fase metálica del grafeno, la orientación de los isospines de los electrones está muy restringida: por cada isospín en una dirección, debe haber un isospín en la dirección opuesta, de modo que la suma de todos ellos sea cero. La situación es muy diferente para los electrones «congelados» de la fase aislante, sostienen los investigadores: los isospines están orientados más o menos en la misma dirección, pero no están sujetos a muchas más restricciones. Eso incrementa mucho la entropía del sistema, compensando con creces la disminución asociada a la menor movilidad de los electrones.

Los estudios dejan muchas preguntas abiertas, por ejemplo acerca del comportamiento de los isospines o las características de la transición de fase. También se espera que las extrañas propiedades electrónicas de las bicapas de grafeno giradas puedan llegar a arrojar luz sobre el mecanismo de la superconductividad en este sistema y otros similares.

Lars Fischer

Referencias: «Entropic evidence for a Pomeranchuk effect in magic-angle graphene», Asaf Rozen et al. en Nature, vol. 592, págs. 214–219, 8 de abril de 2021. «Isospin Pomeranchuk effect in twisted bilayer graphene», Yu Saito et al. en Nature, vol. 592, págs. 220–224, 8 de abril de 2021.

Más información en Nature.

 

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