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

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.

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

  1. Entonces el grafeno molecular exótico como análogo de material co ruptura espontánea de simetría evidencia la posibilidad de transición desde lo material real a lo computacional virtual, algo que media lo físico empírico con lo puramente teórico. Me gustaría saber un poco más de fermiones de Dirac o Majorana y que se entiende acerca de sus procesos de adquisición de masa y si media en esto el buscado boson de Higgs. Very tank Sir Francis.

  2. Un campo gauge puede medirse en teslas? Cómo puede elevarse la intensidad de flujo en teslas hasta llegar a esos valores altos en el mundo Real pero para con un campo que no es paramagnético ni magnético, solo de gauge? Muy interesante la entrada y lo que se pude entender solo a base de manipular carbono.

    • Macbeth, el campo gauge que aparece es un campo “pseudoelectromagnético” (por llamarle de alguna manera), de dicho campo se mide la componente del campo “pseudomagnético” y los autores utilizan las mismas unidades que se usan para medir un campo magnético porque los fermiones se comportan como si estuvieran sujetos a una fuerza magnética “efectiva.” Quizás es un abuso de nomenclatura (lo usan en el paper y yo he respetado dicho uso en esta entrada).

  3. El reticulado del grafeno me recuerda algo más que el panal de abeja claramente análogo con sus hexágonos tan mecanicamente resistentes en celdas de precisa matemática inducida al cerebro de abeja. Me recuerda los comportamientos de memoria RAM donde la información “vive” en la interacción con un campo Yang-Mills electromagnético; con masa o sin masa los fermiones de información enclaustrados en su -de este grafeno molecular exótico- campo bioquímico continente. La información ubicua revela que la Realidad contiene semántica, algo que Turing percibía. La spintrónica puede aún trabajar con entidades más pequeñas que el átomo parece: con fermiones de Dirac en esta estructura molecular.

    Se mide en teslas la intensidad del flujo magnético

    T = N/A*m = Kg/A*s2

    y se mide en diracs la sintésis y compresión en unidad mínima de medida mis largos enunciados, ergo debo aprender en diracs… y hacerme una remera combinada de Tesla y Dirac llamada Graue Substanz I para portar y siempre recordar lo que contribuyeron a nuestro mejoramiento como especie hasta donde hemos alcanzado lo que nos diferencia del resto de mamíferos y primates. Y a Turing junto a Penrose, geniales británicos como el genial escocés Maxwell luego en tríada insuperable de admiración profunda y a los alemanes Einstein y Planck siguiendo después.

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