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Como parte de una colaboración internacional teórico-experimental, se ha conseguido medir la amplitud del llamado potencial de moiré y su respuesta a altas presiones en una estructura formada al apilar dos semiconductores bidimensionales, lo que representa una nueva herramienta para caracterizar y diseñar nuevos materiales semiconductores. Esta investigación incluye académicos de instituciones de alto nivel como la UNAM, el Massachussetts Institute of Technology (MIT) en Estados Unidos, y las Universidades Federal de Minas Gerais (UFMG), Federal de Ouro Preto (UFOP) y Federal Fluminense (UFF) en Brasil.

El trabajo, publicado en la revista Nature Nanotechnology[1], cuenta con la participación del Dr. David Ruiz Tijerina, investigador del Departamento de Física Química del IFUNAM, quien desarrolló el modelo teórico asociado a esta nueva propuesta.

El modelo teórico del Dr. Ruiz-Tijerina, como dijo Riccardo Comin, profesor del MIT y coautor del trabajo, “es un modelo complejo que involucra tanto átomos como electrones; es un llamado modelo de súper celda grande. Eso significa que no sólo se modela una cantidad única, como un solo átomo con sus electrones, sino una gran colección de ellos. De verdad considera la dinámica de los átomos mientras se encuentran interactuando con los electrones a su alrededor”.*

La física de los materiales cuánticos de moiré es un área de investigación novedosa, producto del análisis de los materiales bidimensionales, llamados así por tratarse de láminas cristalinas con un grosor de tan sólo unos cuántos átomos, cuyos electrones viven efectivamente confinados a dos dimensiones. Cuando dos de estos materiales se apilan uno sobre el otro con un pequeño ángulo de giro aparecen los llamados patrones de moiré: estructuras periódicas que resultan de la superposición de dos cristales ligeramente distintos (Fig. a), y que dan su nombre a esta familia de materiales.

En presencia de un patrón de moiré, los electrones del material procuran ciertas regiones del material donde pueden reducir su energía, y evitan otras donde su energía es mayor, de acuerdo al llamado potencial de moiré, que surge de la interacción entre los dos materiales bidimensionales. Esta reorganización de los electrones tiene consecuencias como la súperconductividad anómala, recientemente medida en patrones de moiré formados por estructuras bi-capa de grafeno. Naturalmente, resulta de interés encontrar medios para modificar el potencial de moiré, y así controlar las propiedades físicas del material.

En este trabajo, el grupo de investigación apiló los materiales semiconductores bidimensionales di-sulfuro de molibdeno y di-selenuro de tungsteno para formar un material de moiré, y midió su respuesta a altas presiones, aplicadas mediante un dispositivo llamado celda de yunque de diamante (Fig. b). De acuerdo al Dr. Ruiz Tijerina, “este tipo de experimentos son el estado del arte, pues las muestras son extremadamente pequeñas”; en este caso, de aproximadamente 65 micrómetros de diámetro. En comparación, el grosor de un cabello humano es de apenas 80 micrómetros. “El tamaño de la muestra es importante, pues utilizando fuerzas pequeñas es posible generar muy altas presiones”, de hasta 5 Giga-Pascales: 50 mil veces la presión atmosférica o el 1.4% de la presión estimada en el centro de nuestro planeta. “El experimento mismo es un logro técnico”, destacó el Dr. Ruiz Tijerina.

Específicamente, los investigadores observaron cómo la presión modifica al potencial de moiré (Fig. c), y sus efectos sobre los electrones. “Para medir cambios en los estados electrónicos de un material se requieren arreglos experimentales complicados, que no son compatibles con las dimensiones de una celda de yunque de diamante”, precisó el Dr. Ruiz Tijerina. “Sin embargo, los cambios electrónicos, a su vez, afectan el movimiento de los fonones”, que son cuantos de vibración de los dos materiales que forman la estructura. “Los cambios inducidos en los fonones pueden observarse por medios ópticos, con mediciones de tipo Raman”.

En la espectroscopía Raman se hace incidir luz con una frecuencia fija sobre la muestra y, subsecuentemente, se mide la luz transmitida por el material. Esta última señal contiene luz con frecuencias distintas; la diferencia entre sus frecuencias y la de la luz incidente corresponde a la de los fonones. “Los espectros Raman de cada uno de los materiales aislados es bien conocido, por lo que al comparar éstos con el espectro de la estructura se logró identificar frecuencias nuevas”, introducidas por la interacción entre los electrones y los fonones, cuando los primeros son afectados por el potencial de moiré. “Una vez que mis colegas de Brasil determinaron los modos vibracionales relevantes mediante cálculos ab initio, mi trabajo fue modelar la intensidad de estas nuevas señales, y cómo se relaciona con el potencial de moiré”, mencionó.

“La técnica que desarrollamos para sondear estos sistemas de moiré es metodológicamente similar a los métodos de cristalografía de rayos X sobre proteínas, mismos que permiten a los biólogos conocer dónde están los átomos en las proteínas y cómo éstas van a funcionar”, mencionó el Dr. Comin.*

Una vez ajustado a los resultados experimentales, el modelo propuesto por el Dr. Ruiz Tijerina contiene la información necesaria para estimar la magnitud del potencial de moiré, y cómo éste incrementa conforme se aumenta la presión. “Esto es importante, porque hasta ahora nadie lo había hecho. Nosotros conseguimos extraer la magnitud del potencial de moiré; sabemos cuánto vale, y cómo depende de la presión en este material”, apuntó el investigador del IF.

El parámetro que el equipo ahora puede medir, el potencial de moiré, “nos dirá qué física puede alcanzarse en una estructura de materiales de dos dimensiones. Es uno de los datos más importantes que necesitamos para predecir si un material exhibirá física exótica o no”, apuntó el Dr. Comin.*

Además de ser un logro en investigación básica, este trabajo “nos permite caracterizar una propiedad intrínseca de este tipo de estructuras, y entender cómo se modifica al aplicar altas presiones”, destacó el Dr. Ruiz Tijerina. “Esto podría eventualmente permitirnos hacer ingeniería de bandas; o sea, modificar a placer el movimiento de los electrones en el material, con potenciales aplicaciones en electrónica, óptica, fotónica y telecomunicaciones”, concluyó el investigador.

*Información proporcionada por Elizabeth A. Thomson, MIT.