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Se descubrió que el grafeno exhibe una magnetorresistencia que empequeñece la de todos los materiales conocidos a temperatura ambiente, un comportamiento que podría conducir a nuevos sensores magnéticos y ayudar a descifrar la física de los metales exóticos.
Uno podría esperar que, dos décadas después de su descubrimiento, el grafeno hubiera agotado su potencial de sorpresas. Pero ahora el material más delgado, fuerte y conductor ha agregado otro récord a su cuenta. Una colaboración que involucra al descubridor del grafeno y premio Nobel Andre Geim de la Universidad de Manchester, Reino Unido, ha informado que el grafeno puede tener una magnetorresistencia a temperatura ambiente, un cambio en la resistencia eléctrica inducido por un campo magnético, 100 veces mayor que cualquier material conocido. [1]. La resistencia ferromagnética gigante del grafeno podría conducir a nuevos sensores de campo magnético, pero también proporciona una ventana experimental a sistemas cuánticos exóticos de conductividad eléctrica que pueden estar relacionados con «metales exóticos».
La magnetorresistencia, que ocurre tanto en materiales a granel como en estructuras en capas, ha encontrado una aplicación excelente en sensores de campo magnético como los que se usan para leer datos de memorias magnéticas. Los investigadores han estado interesados durante mucho tiempo en los límites de este fenómeno, lo que ha llevado al descubrimiento de formas de magnetorresistencia «gigantes», «enormes» e «inusuales». Los materiales compuestos exhiben cambios de resistencia de hasta 1.000.000% cuando se exponen a campos magnéticos de varios teslas (T). Sin embargo, los efectos más grandes requieren temperaturas extremadamente bajas que solo se pueden alcanzar con sistemas de enfriamiento de helio líquido poco prácticos.
Esta limitación de temperatura proviene del mecanismo subyacente a la magnetorresistencia. Los campos magnéticos afectan la resistencia dentro de un material al doblar el camino de los electrones que transportan corriente. Por lo tanto, un efecto grande requiere que los electrones se muevan libremente, sin que los átomos del material se dispersen constantemente. En otras palabras, los electrones necesitan mucha «movilidad» para que el campo tenga un efecto definido en sus trayectorias. Dado que el movimiento disminuye con la temperatura, la resistencia magnética es pequeña a temperatura ambiente.
Por lo tanto, el grafeno, que tiene la mayor movilidad de materiales a temperatura ambiente, era un objetivo prometedor. El movimiento de un electrón no es suficiente para obtener una resistencia magnética significativa, dice el autor principal Alexey Berdyugin de la Universidad Nacional de Singapur. En la mayoría de las condiciones, el grafeno tiene una pequeña resistencia magnética porque actúa como un metal, donde la corriente es transportada por un tipo de portador: los electrones. En un metal, se sabe que la resistencia ferromagnética se satura rápidamente por el campo magnético: un aumento en la intensidad del campo no tiene mucho efecto sobre la resistividad.
Para evitar esta saturación, Berdiogen, Jim y sus colegas llevaron el grafeno a un estado «metálico», donde las bandas de conducción y valencia se «tocan» entre sí. En un semimetal, la corriente es transportada, a una temperatura finita, por cargas positivas (agujeros) y cargas negativas (electrones), un estado conocido como «punto de neutralidad de carga». Con dos portadores de polaridad opuesta, los cambios de resistencia inducidos por el campo magnético no son iguales pero mantienen la escala con el cuadrado de la intensidad del campo. «Nos dimos cuenta de que el grafeno podía cumplir con todos los requisitos a temperatura ambiente», dice Berdyugin.
Mediante el uso de una lámina de grafeno de alta calidad y la aplicación de un potencial eléctrico para controlar la posición de los dominios de valencia y conducción, Berdyugen, Jem y sus colegas pudieron colocar su dispositivo en un punto de carga neutra. Cuando aplicaron un campo magnético relativamente pequeño de 100 mt, midieron una magnetorresistencia de hasta el 100%, que es una mejora de 100 veces sobre la magnetorresistencia intrínseca que se encuentra en cualquier material conocido.
«¡El grafeno sigue sorprendiendo!» dice Frank Coppens, físico experimental del Instituto de Ciencias Fotónicas de España. Él dice que el comportamiento inusual es interesante tanto desde un punto de vista aplicado como fundamental. El efecto podría dar lugar a sensores magnéticos muy sensibles, dice Philip Kim, investigador de materia condensada de la Universidad de Harvard.
Berdiogen señala que la resistencia magnética del grafeno es ligeramente menor que la de los dispositivos magnéticos que se encuentran en las computadoras de hoy. (La magnetorresistencia de estos dispositivos no es una propiedad física «intrínseca» sino una propiedad «extrínseca» que se deriva del túnel de rotación entre capas de diferentes materiales). Sin embargo, el grafeno puede continuar operando a temperaturas mucho más altas que las de los dispositivos. lo que puede permitir aplicaciones únicas, dice.
Los investigadores también estudiaron la respuesta de los materiales a medida que aumentaban el campo magnético. Cuando el campo alcanzó una escala de 1-T, encontraron que la medida cuadrada de resistencia dio paso a una escala lineal. Berdyugin dice que se necesita más trabajo para desarrollar una teoría microscópica para este fenómeno, pero el cambio de escala cuadrática a lineal indica una transición al exótico régimen de conducción cuántica. En este sistema, las órbitas de las partículas cargadas se cuantifican en el campo magnético y todas las partículas ocupan simultáneamente el nivel de energía cero de estos estados cuánticos.
Berdyugin agrega que este sistema «cuántico cuántico-metálico» tiene muchas similitudes con los metales exóticos, una clase de materiales que son superconductores a temperaturas más bajas y metálicos a temperaturas más altas y cuyo comportamiento desafía las teorías de conducción convencionales. En ambos sistemas, la magnetorresistencia escala linealmente con el campo aplicado y la dispersión de electrones de Planck, lo que significa que la escala de tiempo de la dispersión está limitada únicamente por el principio de incertidumbre de Heisenberg. Berdyugin dice que el sistema cuántico del grafeno podría servir como sistema modelo para estudiar la física relacionada con los metales exóticos. Kim está de acuerdo. «El parecido con minerales exóticos es muy plausible».
-Matthew Rennie
Mathieu Reni es el editor Diario de física.
Referencias
- norte. Shane et al.Magnetorresistencia gigante de plasmas de Dirac en grafeno de alta movilidad. naturaleza 616270 (2023).
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