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Un ‘ángulo mágico’ dota al grafeno de nuevas propiedades extraordinarias

Ilustración del grafeno bicapa rotado y la multitud de diferentes estados de la materia descubiertos
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Ilustración del grafeno bicapa rotado y la multitud de diferentes estados de la materia descubiertos (Foto: ICFO / F. Vialla)

El estudio abre el camino hacia la física desconocida.

miércoles 30 de octubre de 2019, 21:01h

Científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) informaron el año pasado de un hallazgo sorprendente con el grafeno: simplemente girando dos capas de este material una encima de la otra con un ángulo de 1,1 grados (el llamado ángulo mágico) se comportaba como un superconductor en el que fluyen las corrientes eléctricas sin resistencia.

Un nuevo dispositivo permite observar gran cantidad de estados superconductores, magnéticos y topológicos del grafeno girado con el ángulo mágico de 1,1º

Además, esta configuración siempre estaba acompañada de enigmáticas fases aislantes correlacionadas, como lo que se observa en los también misteriosos superconductores de cuprato (un material cerámico) de alta temperatura.

Ahora, investigadores de Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) en Barcelona han logrado mejorar enormemente la calidad del dispositivo que lleva el grafeno con esta configuración, y al hacerlo, se han topado con algo aún más grande y totalmente inesperado.

Los autores, que publican su estudio en Nature, pudieron observar una gran cantidad de estados superconductores y correlacionados desconocidos, además de un conjunto inédito de estados magnéticos y topológicos, abriendo un camino hacia una física completamente nueva y más rica.

La superconductividad a temperatura ambiente es la clave para muchos objetivos tecnológicos, como la transmisión eficiente de energía, trenes sin fricción o incluso ordenadores cuánticos, entre otros. Cuando se descubrió hace más de 100 años, la superconductividad solo era plausible en materiales enfriados a temperaturas cercanas al cero absoluto.

Esquema del grafeno bicapa rotado al ángulo mágico encapsulado por nitrito de boro hexagonal. / ICFO / X. Lu

Más tarde, a fines de los años 80, los científicos descubrieron superconductores de alta temperatura utilizando los cupratos. A pesar de la dificultad de construir superconductores y la necesidad de aplicar condiciones extremas (campos magnéticos muy fuertes) para estudiar el material, este campo despegó como un santo grial entre los científicos.

Desde el año pasado, la emoción de las investigaciones ha aumentado. Las dobles monocapas de carbono han cautivado a los científicos porque, a diferencia de los cupratos, su simplicidad estructural se ha convertido en una excelente plataforma para explorar la compleja física de la superconductividad.

En su experimento, los científicos del ICFO utilizaron la llamada técnica de ensamblaje de van der Waals de ‘pelar y apilar’ (tear and stack) para fabricar las dos monocapas de grafeno apiladas y rotadas con el ángulo mágico. Luego emplearon un proceso de limpieza mecánica para eliminar las impurezas y liberar la tensión local. Así pudieron obtener bicapas de grafeno rotadas extremadamente limpias y con menor desorden, resolviendo una multitud de frágiles efectos de interacción.

Los investigadores Xiaobo Lu (izquierda) y Dmitri Efetov (derecha) manipulando la configuración experimental. / ICFO

Al cambiar la densidad del portador de carga eléctrica dentro del dispositivo con un condensador cercano vieron que el material podía ajustarse para que se comportara como un aislante, como un superconductor, o incluso un imán orbital exótico con textura topológica en una fase nunca antes observada.

El dispositivo entró en un estado superconductor para densidades más bajas, un avance completamente nuevo

Lo que es aún más sorprendente es el hecho de que el dispositivo entró en un estado superconductor para densidades más bajas, un avance jamás publicado para cualquier superconductor y completamente nuevo en el campo.

Xiaobo Lu, investigador del ICFO y primer autor del estudio, está entusiasmado con los resultados: “Para nuestra sorpresa, observamos que el sistema parecía competir entre muchos estados nuevos”.

“Al ajustar la densidad del portador dentro de las dos bandas de moiréplanas más bajas –explica–, el sistema mostró alternativamente estados correlacionados y superconductividad, junto con magnetismo exótico y topología de banda. También notamos que estos estados eran muy sensibles a la calidad del dispositivo, es decir, la precisión y la homogeneidad del ángulo de giro entre dos hojas de capas de grafeno”.

Dispositivo con la estructura de grafeno bicapa rotada en la región central negra en el cuadrado y colocado sobre la pieza que luego se ajusta al setup experimental. / ICFO

Por último, los investigadores también pudieron aumentar la temperatura de transición superconductora a más de 3 kelvin, alcanzando valores récord el doble de altos que en los estudios previamente publicados para dispositivos de grafeno con ángulo mágico.

El grafeno se convierte así en una herramienta que permite el acceso a una nueva física compleja y excepcionalmente rica

Como comenta el profesor Dmitri Efetov del ICFO, “nunca esperamos ver tantos estados diferentes simplemente ajustando la puerta electrónica. Ha sido totalmente inesperado. Por primera vez, podemos profundizar en el mundo microscópico y manipular los sistemas para ver qué sucede, además de comenzar a comprender y encontrar modelos que puedan explicarlo”.

Según los autores, lo excepcional de este enfoque es que el grafeno –un material que generalmente es pobre en fenómenos de electrones que interactúan fuertemente– ha sido ahora la herramienta que permite el acceso a esta física compleja y excepcionalmente rica.

Hasta el momento, no existe una teoría que pueda explicar la superconductividad en el ángulo mágico del grafeno a nivel microscópico, sin embargo, con este nuevo descubrimiento, ha surgido una nueva oportunidad para revelar su origen.

Además de Lu y Efetov, en este estudio han participado los investigadores del ICFO Petr Stepanov, Mohammed Ali Aamir, Ipsita Das y Adrian Bachtold, en colaboración con un grupo interdisciplinar de la Universidad de Texas en Austin (EE UU), la Academia de Ciencias de China y el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón.

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