Los materiales cuánticos se han convertido en los últimos años en elementos fundamentales para el desarrollo de dispositivos y sistemas electrónicos con propiedades innovadoras que prometen transformar sectores estratégicos como la computación, las comunicaciones, la detección avanzada y la seguridad. Entre todos estos materiales, destacan las superredes de moiré de grafeno, uno de los sistemas cuánticos actuales más prometedores en la física de materiales.

En este contexto, el Centro de Investigación en Luz y Materia Estructuradas (LUMES) de la Universidad de Salamanca lidera un estudio pionero que revela propiedades electrónicas inéditas en superredes de moiré de grafeno utilizando para ello una técnica basada en la espectroscopía de fotocorriente en el rango de terahercios.

El trabajo, recientemente publicado en la revista 'ACS Nano' con el título “Unveiling the Miniband Structure of Graphene Moiré Superlattices via Gate-Dependent Terahertz Photocurrent Spectroscopy”, supone un “gran avance para el estudio de las propiedades fundamentales de los materiales cuánticos y el desarrollo de la tecnología de detección ultrasensible”, informan los investigadores a Comunicación USAL.

Entre todos estos materiales cuánticos, destacan las superredes de moiré de grafeno. Estructuras que se obtienen, por ejemplo, al apilar cristales de grafeno y nitruro de boro hexagonal (hBN), con un ángulo de rotación muy pequeño y controlado entre sus redes cristalinas (típicamente menor a 1º).

Esta disposición única crea patrones periódicos, denominados superredes de moiré, los cuales dependen del ángulo de rotación existente entre los dos cristales y drásticamente las propiedades electrónicas originales del grafeno. Como consecuencia, “emergen nuevas propiedades eléctricas, ópticas y magnéticas exóticas que abren la puerta al diseño de materiales con propiedades a la carta”, subrayan.

Por ello, comprender la compleja estructura de bandas electrónicas existente en estos sistemas “es crucial para explicar los nuevos fenómenos exóticos observados en estos materiales, tales como la aparición de nuevas fases correlacionadas o propiedades topológicas”. La dificultad es que, hasta ahora, el estudio detallado de las bandas electrónicas de las superredes de moiré de grafeno no era factible, “debido a las limitaciones en resolución y sensibilidad existentes en técnicas de caracterización tradicionales de materiales centradas todas ellas en diferentes tipos de medidas eléctricas u ópticas”.

Nuevo hito en la caracterización electrónica y el desarrollo de detectores de radiación

Ahora, los investigadores pertenecientes al Centro de Investigación LUMES han desarrollado una novedosa técnica de medida opto-electrónica, basada espectroscopía de fotocorriente en frecuencias en el rango de terahercios, que permite explorar las complejas bandas electrónicas existentes en superredes de moiré con un alto nivel de detalle.

La idea fundamental de esta técnica se basa en la medir la fotocorriente generada en el sistema en función de parámetros clave como su ángulo de rotación, la densidad de carga y la frecuencia de radiación incidente (en rangos de gigahercios, terahercios y el infrarrojo lejano). Con esta información se puede extraer de forma precisa la estructura electrónica subyacente de las superredes de moiré estudiadas.

En particular, el trabajo demuestra, entre otros aspectos fundamentales, la existencia de brechas de energía, también llamadas “gaps”, extremadamente pequeñas —del orden de 1 a 20 milielectronvoltios— en las bandas electrónicas de los sistemas estudiados. Tal y como señalan los autores, “estos detalles, inaccesibles hasta ahora, son esenciales para comprender diversas propiedades de los portadores de carga y los fenómenos cuánticos emergentes en estos sistemas”.

Por otro lado, desde un punto de vista tecnológico, el estudio revela cómo las estructuras basadas en grafeno y nitruro de boro hexagonal son sistemas con un gran potencial para desarrollar dispositivos optoelectrónicos avanzados, como detectores de radiación en el rango de los gigahercios, los terahercios y el infrarrojo lejano, capaces de ofrecer alta sensibilidad y bajo ruido.

Un trabajo multidisciplinar e internacional

La investigación publicada en ACS Nano ha sido liderada y desarrollada por Juan Antonio Delgado y José Caridad, investigadores del Centro de Investigación LUMES, en el marco de una amplia colaboración local, nacional e internacional que incluye a expertos de la USAL y de la Universidad de Oviedo, así como a científicos de CENTERA (Polonia), la School of Physical Sciences (Irlanda), la University of Chinese Academy of Sciences (China), NIMS (Japón) y la Universidad de Groningen (Países Bajos).

Esta red de colaboración ha permitido integrar de forma exitosa teoría, simulación y experimentos en un mismo trabajo. El proyecto ha recibido soporte de la Agencia Estatal de Investigación, la Junta de Castilla y León, el programa “Ramón y Cajal”, ERC (Consejo Europeo de Investigación) y otros organismos internacionales.

Al respecto, cabe destacar que esta unión multidisciplinar e internacional ha sido “clave para avanzar en el entendimiento y la caracterización detallada de las superredes de moiré de grafeno y sus propiedades optoelectrónicas, poniendo de relieve la excelencia y el carácter marcadamente colaborativo del proyecto”, concluyen.

Referencia del artículo:

Juan A. Delgado-Notario, Stephen R. Power, Wojciech Knap, Manuel Pino, JinLuo Cheng, Daniel Vaquero, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Jesús E. Velázquez-Pérez, Yahya Moubarak Meziani, Pablo Alonso-González, and José M. Caridad. “Unveiling the Miniband Structure of Graphene Moiré Superlattices via Gate-Dependent Terahertz Photocurrent Spectroscopy”. ACS Nano 2025 19 (30), 27338-27350. DOI: 10.1021/acsnano.5c05306

Centro de Investigación de Luz Estructurada y Materia (LUMES)

La creación del Centro de Investigación de Luz Estructurada y Materia (LUMES) marca un hito en la consolidación de la Universidad de Salamanca como referente internacional en la comprensión y aplicación de las interacciones entre la luz y la materia a escalas ultrarrápidas y nanométricas.

Mediante la colaboración interdisciplinaria y la formación de jóvenes investigadores, el objetivo principal de LUMES es impulsar la innovación en campos como la fotónica, la optoelectrónica y la óptica cuántica, áreas que tienen un impacto transversal en diversas disciplinas científicas.

LUMES investiga la interacción entre la luz y la materia a escalas ultrarrápidas y nanométricas, incluyendo áreas clave como la óptica ultrarrápida y no lineal, la ciencia de los materiales, el magnetismo y la inteligencia artificial.