Una investigación liderada por científicos del Instituto de Ciencia Molecular (ICMol) de la Universitat de València, publicada en la prestigiosa revista Nature Materials, ha dado un paso esencial en el campo de la “twistrónica del grafeno” –del inglés twist, girar–, al demostrar que materiales bidimensionales diferentes al grafeno pueden presentar también propiedades emergentes e inexploradas cuando dos monocapas de espesor atómico de estos nanomateriales se apilan y se giran un ángulo determinado.
El estudio demuestra por primera vez que una bicapa magnética girada un ángulo de 90º exhibe propiedades de magneto-transporte espectaculares, como por ejemplo la aparición de multi-estados magnéticos con efectos de memoria. Este resultado pionero augura un futuro muy prometedor a la “twistrónica de espín” como plataforma para diseñar nuevos materiales con propiedades “a la carta” que puedan ser de interés en tecnologías emergentes como la espintrónica, la magnónica o las tecnologías cuánticas.
El descubrimiento del grafeno —un material bidimensional (2D) semiconductor formado por una capa atómica de carbono– está revolucionado la física de la materia condensada y la ciencia de materiales actual. Uno de los resultados más espectaculares ha sido la observación de superconductividad en bicapas giradas de grafeno con un ángulo pequeño de 1.4º, reportada por el equipo del investigador Pablo Jarillo del Massachussets Institute of Technology (MIT)en 2019.
Este hito ha sido posible gracias a que, al igual que las cartas de una baraja, dos capas de grafeno pueden apilarse y girarse a voluntad formando un ángulo entre ellas. Esta posibilidad —única para los materiales bidimensionales— ha abierto un nuevo campo de investigación denominado twistrónica que proporciona una plataforma ideal para diseñar un número infinito de materiales con nuevas propiedades, simplemente girando las capas del material 2D que los conforman.
En la actualidad la twistronica se ha extendido a otros materiales 2D diferentes del grafeno, incluyendo los materiales magnéticos, pero siempre se ha limitado a capas giradas con ángulos pequeños (menores de 5º).
La aportación del equipo de investigación del ICMol ha consistido en extender la twistrónica a bicapas ferromagnéticas con el fin de conseguir propiedades magnéticas emergentes mediante un giro de 90º de una capa frente a la otra. En estas bicapas magnéticas artificiales el material elegido se formula como CrSBr y está formado por capas de átomos de cromo unidos a través de iones sulfuro y bromuro. En cada una de las capas los momentos magnéticos del cromo se encuentran orientados a lo largo de uno de los dos ejes que definen la capa. Al girarlas, estas capas ortogonales presentan fenómenos de frustración al aplicar un campo magnético externo.
Como consecuencia de este giro y, a diferencia de la bicapa natural (sin girar), en la bicapa artificial se observan propiedades espectaculares, como por ejemplo la aparición de multi-estados magnéticos inducidos por el campo magnético que almacenan información incluso en ausencia de campo magnético. Todo esto demuestra que la twistrónica es una técnica sencilla y eficiente para diseñar imanes “a medida”, simplemente cambiando el ángulo de giro o la naturaleza de las monocapas magnéticas de partida. La nueva dirección que se abre en magnetismo con la denominada twistrónica de espín (o twistrónica magnética), tendrá probablemente un impacto significativo en tecnologías emergentes como la espintrónica, la magnónica o las tecnologías cuánticas.
El equipo que ha desarrollado esta investigación está formado por la investigadora doctoral Carla Boix-Constant, Samuel Mañas-Valero, actualmente investigador postdoctoral Marie Curie en la Universidad Tecnológica de Delft (Países Bajos) y el catedrático Eugenio Coronado, director del grupo de investigación y del ICMol.
Enlace al artículo en Nature Materials: https://www.nature.com/articles/s41563-023-01735-6
