El “grafeno molecular” y la aparición de campos “pseudomagnéticos” sobre fermiones de Dirac

Por Francisco R. Villatoro, el 16 marzo, 2012. Categoría(s): Ciencia • Física • Nanotecnología • Noticias • Physics • Science

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Este vídeo muestra la síntesis molécula a molécula de un nuevo material llamado “grafeno molecular” utilizando un microscopio de efecto túnel. Estos análogos al grafeno se fabrican manipulando moléculas individuales de monóxido de carbono, CO, que son colocadas sobre un substrato de cobre, Cu(111). Estos materiales tienen algunas propiedades semejantes al grafeno, como la propagación de fermiones de Dirac sin masa, pero con la ventaja adicional que presentan grados de libertad que permiten controlar algunas de estas propiedades (lo que es imposible con el grafeno). ¿Para qué se pueden utilizar estos “grafenos exóticos”? Se supone que acabarán teniendo múltiples aplicaciones tecnológicas (si algún día se logran fabricar de forma eficiente), pero en la actualidad su interés es básico, permitir simular ciertos procesos físicos, como transiciones de fase topológicas o la adquisición de masa por parte de fermiones de Dirac. El artículo técnico es Kenjiro K. Gomes, Warren Mar, Wonhee Ko, Francisco Guinea & Hari C. Manoharan, “Designer Dirac fermions and topological phases in molecular graphene,” Nature 483: 306-310, 15 March 2012. Nos cuenta su importancia Jonathan Simon, Markus Greiner, “Condensed-matter physics: A duo of graphene mimics,” Nature 483: 282–284, 15 March 2012, que también se hacen eco del artículo de Leticia Tarruell, Daniel Greif, Thomas Uehlinger, Gregor Jotzu, Tilman Esslinger, “Creating, moving and merging Dirac points with a Fermi gas in a tunable honeycomb lattice,” Nature 483: 302–305, 15 March 2012. Me gusta más el artículo de Gomes et al. porque presenta ilustraciones mucho más atractivas.

El grafeno es un material plano formado por una sola capa de átomos organizados en forma de panal de abeja. Los “grafenos moleculares” permiten imitar esta estructura con la posibilidad de introducir defectos, variaciones de la estructura reticular del material. El interés básico de los análogos exóticos al grafeno está en el estudio del comportamiento de una partícula obligada a moverse en una estructura con forma de panal de abeja. Estas partículas se comportan como fermiones de Dirac sin masa y viajan a la velocidad de la luz. Su estudio se había centrado hasta ahora en el grafeno, pero los “grafenos moleculares” permiten controlar ciertos grados de libertad y estudiar transiciones de fase en las que estos fermiones de Dirac adquieren masa. Estos materiales son análogos físicos de ciertas roturas espontáneas de la simetría y permiten estudiar en el laboratorio fenómenos que de otra forma solo podrían ser estudiados mediante modelos teóricos o computacionales.

Gomes y sus colegas han estudiado la transición de un “grafeno molecular” a una disposición periódica que se conoce como estructura de Kekulé; en esta transición los fermiones de Dirac sin masa adquieren masa. La teoría predice que esta transición debería ir acompañada de la aparición de un campo gauge; estos físicos han observado que los fermiones tras adquirir masa se comportan como si estuvieran en un campo magnético. La aparición y desaparición de un campo magnético “aparente” (que los autores llaman “campo pseudomagnético”) tiene una ventaja importante. El campo “pseudomagnético” se puede intensificar hasta alcanzar valores tan enormes como 60 T (teslas); si este campo magnético fuera real el material no sería capaz de soportarlo, sin embargo, al ser un campo “pseudomagnéitco” permite estudiar el comportamiento de fermiones de Dirac bajo estas condiciones tan extremas.

El estudio del “grafeno molecular” dará lugar a aplicaciones tecnológicas, pero para mí lo más interesante es que permite un control sobre los fermiones de Dirac en el “grafeno” que permitirá el estudio experimental de fenómenos que hasta ahora solo se podían estudiar de forma teórica.



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