Imagen de la potencial sub-moiré mediante un transistor de un solo electrón atómico

Escudriñando el paisaje invisible de los electrones

Cada dispositivo electrónico, desde los teléfonos inteligentes hasta los ordenadores cuánticos, depende de cómo se mueven los electrones por los materiales. Sin embargo, los pequeños “paisajes” de potencial eléctrico que guían esos electrones han sido en su mayor parte invisibles. Esta investigación revela, por primera vez, una imagen directa de dicho paisaje en un material diseñado a partir de cristales de un átomo de grosor apilados. Al hacerlo, pone de manifiesto sorpresas que desafían la teoría existente y abre una nueva vía para visualizar algunos de los estados electrónicos más extraños conocidos.

Patrones diseñados en materiales de un solo átomo

Cuando dos cristales ultrafinos, como el grafeno y el nitruro de boro hexagonal (hBN), se apilan con un pequeño giro o desajuste, crean un patrón repetitivo mayor llamado red moiré. Este patrón actúa como un cristal artificial para los electrones, produciendo comportamientos nuevos como magnetismos inusuales y versiones exóticas del efecto Hall cuántico. En el sistema grafeno/hBN, este patrón diseñado ha sido central para muchos avances en la llamada “twistrónica”. Pero hasta ahora, los científicos solo podían inferir el paisaje de potencial eléctrico subyacente de manera indirecta, a partir de mediciones de transporte u ópticas. La forma y la intensidad reales del potencial moiré —las colinas y los valles que sienten los electrones— nunca se habían visto directamente.

Un átomo como un medidor ultrasensible

Los autores presentan un “transistor de un solo electrón atómico” (SET atómico), un nuevo tipo de sonda de barrido que utiliza un defecto atómico único como detector ultrasensible del potencial eléctrico local. El defecto se encuentra dentro de una capa delgada de un semiconductor (WSe₂) y se comporta como un punto cuántico: permite que los electrones tunelen uno a uno, y la energía a la que esto ocurre cambia en respuesta a variaciones minúsculas del potencial circundante. En lugar de mover el defecto sobre la muestra, el equipo invierte la geometría habitual. Montan el material de interés —grafeno alineado con hBN— en la punta de un microscopio cuántico giratorio y lo escanean sobre el defecto fijo. A medida que el patrón moiré pasa sobre el defecto, lo “puerta” sutilmente, y al seguir el desplazamiento de su pico de conductancia, los investigadores cartografían el potencial electrostático local con precisión nanométrica.

Imágenes del paisaje moiré en espacio real

Con este SET atómico, el equipo obtiene mapas bidimensionales y tridimensionales del potencial en una sola celda moiré. Encuentran que incluso cuando prácticamente no se añaden electrones al grafeno (densidad de portadores nula), el potencial varía con fuerza —aproximadamente 60 milivoltios de valle a pico. Esta es una escala de energía considerable para electrones en un sistema de este tipo. El patrón presenta casi una simetría rotacional de seis pliegues, con un máximo central y dos mínimos casi equivalentes separados por 60 grados, reflejando las configuraciones de apilamiento repetidas de átomos de carbono sobre átomos de boro y nitrógeno en el hBN. De manera notable, la amplitud global del potencial cambia solo débilmente —en torno al 10 por ciento— cuando se varía la ocupación electrónica de la red moiré, lo que indica que el paisaje está en gran medida determinado por la estructura atómica en sí misma más que por la cantidad de electrones presentes.

Teoría puesta a prueba, y encontrada insuficiente

Los investigadores comparan entonces sus mediciones con modelos teóricos detallados de la interfaz grafeno/hBN. Estos modelos incluyen contribuciones de cómo se apilan las dos capas, cómo la lámina de grafeno se estira y relaja sutilmente, y cómo los electrones se reorganizan para apantallar los campos eléctricos. Los distintos ingredientes por separado favorecen una simetría de tres pliegues, pero cuando se combinan casi cancelan ciertas asimetrías, produciendo de forma natural un patrón cercano al de seis pliegues observado en el experimento. Sin embargo, la teoría predice un potencial que es solo aproximadamente la mitad de fuerte que el medido. Suponer simplemente más deformación en el material no puede resolver esta discrepancia sin arruinar la simetría observada. Esta diferencia sugiere que incluso en este sistema moiré “de libro de texto”, faltan efectos físicos importantes en los modelos actuales.

Por qué esto importa para los materiales cuánticos futuros

Más allá de resolver un reto experimental de larga data, el método del SET atómico proporciona una nueva y poderosa ventana hacia los materiales cuánticos. Alcanza una resolución espacial de aproximadamente 1 nanómetro y es sensible a variaciones de potencial correspondientes a solo unos pocos millonésimos de la carga de un electrón a esa distancia. Las mediciones también muestran que el potencial moiré decae rápidamente con la distancia desde la interfaz, pero sigue siendo lo suficientemente fuerte como para influir incluso en pilas relativamente gruesas de grafeno. En conjunto, estas capacidades permitirán a los científicos obtener imágenes directas del orden de carga, rupturas de simetría sutiles y excitaciones fraccionarias en una amplia variedad de sistemas cuánticos diseñados, desde cristales de Wigner hasta estados topológicos, en lugar de inferirlos de manera indirecta.

Cita: Klein, D.R., Zondiner, U., Keren, A. et al. Imaging the sub-moiré potential using an atomic single electron transistor. Nature 650, 875–881 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-10085-z

Palabras clave: materiales moiré, grafeno, sonda de exploración, sensor de punto cuántico, potencial electrostático