El grafeno, un material maravilloso, cuenta con otro superlativo
En un artículo publicado en Naturaleza esta semana (13 de abril de 2023), investigadores de la universidad de manchester reportar una magnetorresistencia récord que aparece en grafeno en condiciones ambientales.
Los materiales que cambian fuertemente su resistividad bajo los campos magnéticos son muy buscados para diversas aplicaciones y, por ejemplo, cada automóvil y cada computadora contienen muchos sensores magnéticos diminutos. Estos materiales son raros y la mayoría de los metales y semiconductores solo cambian su resistividad eléctrica en una pequeña fracción de un porcentaje a temperatura ambiente y en campos magnéticos prácticamente viables (normalmente, menos de una millonésima parte del 1%). Para observar una fuerte respuesta de magnetorresistencia, los investigadores suelen enfriar los materiales a temperaturas de helio líquido para que los electrones del interior se dispersen menos y puedan seguir las trayectorias del ciclotrón.
Ahora, un equipo de investigación dirigido por el profesor Sir Andre Geim ha descubierto que el buen grafeno antiguo que parecía haber sido estudiado con gran detalle durante las últimas dos décadas exhibe una respuesta notablemente fuerte, alcanzando más del 100% en campos magnéticos estándar imanes permanentes (alrededor de 1000 Gauss). Esta es una magnetorresistividad récord entre todos los materiales conocidos.
Hablando sobre este último descubrimiento de grafeno, Sir Andre Geim dijo: “La gente de grafeno como yo siempre ha pensado que esta mina de oro de la física está muy retrasada. El material nos prueba continuamente que estamos equivocados para encontrar otra encarnación. Hoy tengo que volver a admitir que el grafeno está muerto, viva el grafeno.
Para lograr esto, los investigadores utilizaron grafeno de alta calidad y lo adaptaron a su estado intrínseco y prístino donde solo había portadores de carga excitados por la temperatura. Esto creó un plasma de «fermiones de Dirac» de rápido movimiento que exhibía una movilidad sorprendentemente alta a pesar de la difusión frecuente. La alta movilidad y neutralidad de este plasma de Dirac son componentes cruciales para la magnetorresistencia gigante reportada.
«Durante los últimos 10 años, la calidad electrónica de los dispositivos de grafeno ha mejorado drásticamente, y todos parecen estar enfocados en encontrar nuevos fenómenos a bajas temperaturas de helio líquido, ignorando lo que sucede bajo las condiciones. Esto quizás no sea tan sorprendente porque cuanto más fría es la muestra. , más interesante suele volverse su comportamiento. Decidimos aumentar la temperatura e, inesperadamente, sucedieron una serie de cosas inesperadas”, explica el Dr. Alexey Berdyugin, los autores correspondientes del artículo.
Además de la magnetorresistividad récord, los investigadores también descubrieron que a altas temperaturas el grafeno neutro se convierte en el llamado «metal extraño». Es el nombre que se le da a los materiales donde la dispersión de electrones eventualmente se vuelve rápida, siendo determinada únicamente por el principio de incertidumbre de Heisenberg. El comportamiento de los metales extraños es poco conocido y sigue siendo un misterio que actualmente se investiga en todo el mundo.
El trabajo de Manchester agrega un poco más de misterio al campo al mostrar que el grafeno exhibe una magnetorresistencia lineal gigante en campos por encima de unos pocos Teslas, que depende débilmente de la temperatura. Esta magnetorresistencia de alto campo está batiendo récords nuevamente.
El fenómeno de la magnetorresistencia lineal ha permanecido como un enigma durante más de un siglo desde su primera observación. El trabajo actual de Manchester proporciona pistas importantes sobre los orígenes del comportamiento extraño de los metales y la magnetorresistencia lineal. Quizás los misterios ahora finalmente puedan resolverse gracias al grafeno porque representa un sistema electrónico limpio, bien caracterizado y relativamente simple.
“El grafeno sin dopar de alta calidad a temperatura ambiente ofrece la oportunidad de explorar un régimen completamente nuevo que, en principio, podría descubrirse incluso hace una década, pero que ha sido ignorado en gran medida. Planeamos estudiar este extraño régimen de metales y, seguramente, seguirán otros resultados, fenómenos y aplicaciones interesantes”, agrega el Dr. Leonid Ponomarenko, uno de los principales autores del artículo de Nature.
