Los investigadores de Rutgers College-New Brunswick han descubierto una nueva clase de materiales, llamada intercristales, con propiedades electrónicas únicas que podrían alimentar tecnologías futuras.
Los intercristales exhiben formas recién descubiertas de propiedades electrónicas que podrían allanar el camino para avances en componentes electrónicos más eficientes, computación cuántica y materiales ecológicos, dijeron los científicos.
Como se describe en un informe en la revista científica Materiales de la naturalezalos científicos apilaron dos capas ultrafinas de grafeno, cada una de las cuales una hoja de átomos de carbono de un átomo de espesor dispuesto en una cuadrícula hexagonal. Los torcieron ligeramente sobre una capa de nitruro de boro hexagonal, un cristal hexagonal hecho de boro y nitrógeno. Un sutil desalineación entre las capas que formaron patrones Moiré, patrones similares a los vistos cuando se superponen dos pantallas de malla fina, descubrieron significativamente cómo se movieron los electrones a través del materials.
“Nuestro descubrimiento abre un nuevo camino para el diseño de materiales”, dijo Eva Andrei, profesora de la Junta de Gobernadores en el Departamento de Física y Astronomía en la Escuela de Artes y Ciencias de Rutgers y autor principal del estudio. “Los intercristales nos dan un nuevo mango para controlar el comportamiento electrónico utilizando la geometría sola, sin tener que cambiar la composición química del materials”.
Al comprender y controlar las propiedades únicas de los electrones en los intercristales, los científicos pueden usarlos para desarrollar tecnologías como transistores y sensores más eficientes que anteriormente requerían una combinación más compleja de materiales y procesamiento, dijeron los investigadores.
“Se puede imaginar diseñar un circuito electrónico completo donde cada función, conmutación, detección, propagación de señal) se controla sintonizar la geometría a nivel atómico”, dijo Jedediah Pixley, profesora asociada de física y coautor del estudio. “Los intercristales podrían ser los bloques de construcción de tales tecnologías futuras.
“El descubrimiento depende de una técnica ascendente en la física moderna llamada” twistrónica “, donde las capas de materiales se contorsionan en ángulos específicos para crear patrones de Moiré. Estas configuraciones alteran significativamente el comportamiento de los electrones dentro de la sustancia, lo que lleva a las propiedades que no se encuentran en los cristales regulares.
La thought elementary fue demostrada por primera vez por Andrei y su equipo en 2009, cuando demostraron que los patrones de Moiré en grafeno retorcido remodelan drásticamente su estructura electrónica. Ese descubrimiento ayudó a sembrar el campo de la twistrónica.
Los electrones son pequeñas partículas que se mueven en materiales y son responsables de realizar electricidad. En los cristales regulares, que poseen un patrón repetitivo de átomos que forman una cuadrícula perfectamente arreglada, la forma en que los electrones se mueven se entiende y es predecible. Si un cristal se gira o cambia por ciertos ángulos o distancias, se ve igual debido a una característica intrínseca conocida como simetría.
Los investigadores encontraron que las propiedades electrónicas de los intercristales, sin embargo, pueden variar significativamente con pequeños cambios en su estructura. Esta variabilidad puede conducir a comportamientos nuevos e inusuales, como la superconductividad y el magnetismo, que generalmente no se encuentran en cristales regulares. Los materiales superconductores ofrecen la promesa de la corriente eléctrica que fluye continuamente porque conducen electricidad con resistencia cero.
Los intercristales podrían ser parte de los nuevos circuitos para la electrónica de baja pérdida y los sensores atómicos que podrían desempeñar un papel en la creación de computadoras cuánticas y alimentar nuevas formas de tecnologías de consumo, dijeron los científicos.
Los materiales también ofrecen la posibilidad de funcionar como base de tecnologías electrónicas más ecológicas.
“Debido a que estas estructuras pueden estar hechas de elementos abundantes y no tóxicos como carbono, boro y nitrógeno, en lugar de elementos de tierras raras, también ofrecen una vía más sostenible y escalable para tecnologías futuras”, dijo Andrei.
Los intercristales no son solo distintos de los cristales convencionales. También son diferentes de los cuasicristales, un tipo especial de cristal descubierto en 1982 con una estructura ordenada pero sin el patrón de repetición que se encuentra en los cristales regulares.
Los miembros del equipo de investigación nombraron a su descubrimiento de “intercristales” porque son una mezcla entre cristales y cuasicristales: tienen patrones no repetidos como cuasicristales, pero comparten simetrías en común con los cristales regulares.
“El descubrimiento de cuasicristales en la década de 1980 desafió las viejas reglas sobre el orden atómico”, dijo Andrei. “Con los intercristales, vamos un paso más allá, mostrando que los materiales pueden diseñarse para acceder a nuevas fases de la materia explotando la frustración geométrica a la escala más pequeña”.
Los investigadores de Rutgers son optimistas sobre las aplicaciones futuras de los intercristales, abriendo nuevas posibilidades para explorar y manipular las propiedades de los materiales a nivel atómico.
“Este es solo el comienzo”, dijo Pixley. “Estamos entusiasmados de ver a dónde nos llevará este descubrimiento y cómo afectará la tecnología y la ciencia en los próximos años”.
Otros investigadores de Rutgers que contribuyeron al estudio incluyeron a los asociados de investigación Xinyuan Lai, Guohong Li y Angela Coe del Departamento de Física y Astronomía.
Los científicos del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Japón también contribuyeron al estudio.
