Un equipo de la UAM y del IMDEA Nanociencia ha logrado crear por primera vez, de forma controlada y reversible, patrones moiré cuadrados en superredes de grafeno apilado mediante la combinación de giro entre capas y deformación mecánica
Cuando dos láminas de grafeno se apilan con un ligero ángulo de giro entre ellas, aparece un patrón de interferencia a gran escala conocido como moiré, similar al que se observa al superponer dos telas de rejilla muy fina. Este patrón altera de forma profunda las propiedades electrónicas del material y, en condiciones muy concretas, puede dar lugar a fenómenos extraordinarios, como la superconductividad a temperaturas relativamente altas, algo inesperado en un material como el grafeno.
Hasta ahora, el diseño de estos patrones moiré en grafeno se había limitado a geometrías triangulares, impuestas por la estructura hexagonal propia del material. Ahora, un equipo del Departamento de Física de la Materia Condensada de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y del IMDEA Nanociencia, liderado por Iván Brihuega y Pierre A. Pantaleón, ha conseguido romper esa limitación.
Mediante la combinación del giro entre capas con una deformación mecánica controlada —un método que los investigadores denominan twistraintrónica—, el equipo ha generado por primera vez patrones moiré cuadrados en grafeno apilado. El resultado, publicado en Physical Review Letters, abre una nueva vía para diseñar materiales cuánticos con geometrías y propiedades electrónicas hasta ahora inaccesibles.
Empujar arrugas con un microscopio
Las muestras de grafeno utilizadas en el estudio se prepararon mediante descomposición térmica de carburo de silicio a alta temperatura, un proceso que permite obtener grafeno de gran calidad. Sin embargo, esta técnica también genera pequeñas arrugas en las capas del material, debido a las diferencias de expansión térmica entre el grafeno y el sustrato sobre el que se deposita.
La clave del trabajo ha sido aprovechar esas arrugas como palancas para introducir deformaciones mecánicas controladas. Para ello, los investigadores utilizaron la punta de un microscopio de efecto túnel (STM), un instrumento capaz de visualizar y manipular la materia a escala atómica, con el que desplazaron lateralmente las arrugas más de 100 nanómetros.
Esta intervención, aparentemente sencilla, produjo un efecto sorprendente: el patrón moiré triangular de la zona adyacente se transformó de manera reversible en un patrón cuadrado. Cuando la arruga se retiraba, el patrón recuperaba su geometría triangular original. Se trata, por tanto, de una transformación controlable y reversible en una misma muestra.
Estados cuánticos en geometrías inéditas
Los patrones cuadrados observados no constituyen solo una curiosidad visual. Las medidas espectroscópicas realizadas con el propio microscopio revelaron que, en estas regiones, los electrones del grafeno se comportan de forma muy diferente. En concreto, se concentran en bandas de energía muy estrechas situadas justo en el nivel de Fermi, la energía que separa los estados electrónicos ocupados de los vacíos.
Además, estas regiones presentan singularidades de Van Hove, es decir, picos en la densidad de estados electrónicos que, cuando aparecen cerca del nivel de Fermi, favorecen interacciones intensas entre electrones. Este tipo de condiciones está asociado, en el grafeno bicapa girado en el llamado ángulo mágico, a la aparición de superconductividad no convencional.
"Esta es la primera vez que se observa experimentalmente que la combinación de giro y tensión permite acceder a regímenes electrónicos fuertemente correlacionados en geometrías que antes eran completamente inaccesibles", subraya Iván Brihuega, investigador que lidera el trabajo.
El modelo teórico desarrollado en paralelo por el equipo del IMDEA Nanociencia, liderado por Francisco Guinea, reproduce fielmente los resultados experimentales. Según este modelo, el patrón cuadrado surge de una combinación específica de giro y deformación de cizalla (shear strain), precisamente aquella que minimiza la energía elástica del sistema. En otras palabras, se trata de una configuración que el grafeno puede adoptar de forma natural cuando se deforma.
Una plataforma universal
La twistraintrónica no se limita al grafeno. Según los autores, este concepto podría extenderse a otros materiales bidimensionales, como el disulfuro de molibdeno o el nitruro de boro hexagonal, lo que abre la puerta al diseño de una amplia gama de materiales cuánticos a medida.
Además, la posibilidad de inducir y revertir estos cambios de forma controlada y en tiempo real, dentro de una misma muestra, ofrece una herramienta especialmente útil para estudiar cómo responden estos sistemas a diferentes condiciones, sin necesidad de fabricar una nueva muestra para cada experimento.
Por último, los investigadores destacan que los ingredientes electrónicos observados en estas muestras —localización intensa de electrones, interacciones fuertes y alta densidad de estados en el nivel de Fermi— son similares a los presentes en el grafeno de ángulo mágico, donde se descubrió la superconductividad no convencional.
Este paralelismo abre nuevas preguntas sobre si la simetría cuadrada obtenida mediante twistraintrónica podría albergar formas distintas, o incluso más ricas, de superconductividad.
