Un aislante eléctrico hecho de dos conductores

La ley de Ohm establece que la resistencia de un conductor y el voltaje que se le aplica determinan la cantidad de corriente que fluye a través del conductor. Los electrones en el material (los portadores de carga negativa) se mueven de forma desordenada y en gran medida independiente unos de otros.

Sin embargo, cuando los portadores de carga se influyen mutuamente lo suficiente, pueden ocurrir cosas asombrosas.

Este es el caso, por ejemplo, en un material, descubierto hace unos años, que está hecho de capas especiales de grafeno. El grafeno es una lámina con un grosor de tan solo 1 átomo en la que los átomos (de carbono) están posicionados de tal manera que conforman una retícula hexagonal, parecida a la de un panal de miel.

Si dos capas vecinas de ese material están desalineadas ligeramente una respecto a la otra, los electrones pueden verse influidos de tal manera que interactúen fuertemente entre sí. Como consecuencia, el material puede, por ejemplo, convertirse en superconductor y, por tanto, conducir la corriente sin pérdidas.

Ahora, un equipo internacional que incluye, entre otros, a Klaus Ensslin, Thomas Ihn y Peter Rickhaus, del Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zúrich (ETH), ha observado un nuevo estado en esa clase de materiales con dos capas dobles de grafeno levemente desalineadas.

En ese nuevo estado, los electrones, con carga negativa, y los huecos, con carga positiva, que son los electrones faltantes en el material, se correlacionan de tal modo que el material ya no conduce la corriente eléctrica. La clave está en ajustar el campo eléctrico de tal modo que en las capas la cantidad de electrones sea igual a la cantidad de huecos. Cuando este equilibrio se logra, la resistencia aumenta abruptamente.

En dos capas dobles de grafeno, que están levemente desalineadas una con respecto a la otra, y que en el dibujo se diferencian por ser una de color rojo y la otra de color azul, puede generarse un estado en el que el material actúa como un aislante eléctrico al igualarse la cantidad de electrones a la de huecos. (Imagen: Peter Rickhaus / ETH Zurich)

En este estado neutro, por tanto, no hay carga. Sin embargo, permite transmitir información o conducir calor. Y se puede controlar con precisión a través del ángulo de desalineación y el voltaje aplicado. A diferencia de lo que sucede en materiales sometidos a estados parecidos en los que se crean pares de electrón y hueco por excitación mediante láser, en el nuevo estado logrado por Ensslin y sus colegas los electrones y los huecos están en su estado de menor energía.

Los investigadores creen que el nuevo estado puede tener aplicaciones prácticas, como por ejemplo conseguir memorias cuánticas menos vulnerables al “ruido” del campo eléctrico.

Ensslin y sus colegas exponen los detalles técnicos de su avance en la revista académica Science, bajo el título “Correlated electron-hole state in twisted double-bilayer graphene”. (Fuente: NCYT de Amazings)