31 de Agosto de 2021
Física de materiales

La superconductividad en el grafeno podría ser menos exótica de lo esperado

El hallazgo de superconductividad en capas de grafeno no rotadas sugiere que las propiedades superconductoras de este material podrían ser mundanas.

El grafeno tricapa ABC (ilustración) se torna superconductor a temperaturas próximas al cero absoluto. En esta disposición, las sucesivas capas no están giradas entre sí, sino desplazadas. [Samuel Velasco/Quanta Magazine]

Hace tres años, los físicos descubrieron que dos láminas de grafeno superpuestas y rotadas entre sí un pequeño ángulo de 1,1 grados podían mostrar una deslumbrante variedad de comportamientos. El más llamativo de ellos era que, una vez enfriado a muy bajas temperaturas, el material comenzaba a conducir la electricidad con resistencia cero.

Los investigadores se apresuraron a averiguar por qué el grafeno bicapa rotado manifestaba una superconductividad que, además, parecía ser especialmente robusta. No pocos teóricos de materiales pensaron que el fenómeno podría reescribir su comprensión de la superconductividad y, quizás, incluso conducir al diseño de materiales capaces de exhibir el fenómeno a temperaturas mucho más elevadas.

Sin embargo, puede que toda la atención prestada a ese pequeño giro entre las láminas de grafeno haya sido engañosa. En un trabajo reciente, un equipo de físicos ha referido la emergencia de superconductividad en tres capas de grafeno sin ningún giro relativo entre ellas. El descubrimiento, liderado por Andrea Young y Haoxin Zhou, de la Universidad de California en Santa Bárbara, podría obligar a reconsiderar el debate sobre la naturaleza de la superconductividad en el grafeno, ya que ahora algunos investigadores creen que podría ser ordinaria.

«Es un hallazgo muy importante que muestra que la superconductividad [en el grafeno] es, en cierto sentido, normal», apunta Sankar Das Sarma, físico teórico de la materia condensada de la Universidad de Maryland que no participó en la investigación.

Con todo, los indicios que apuntan a una superconductividad ordinaria tampoco son concluyentes. Y algunos investigadores señalan que, aunque la superconductividad del grafeno tricapa sea normal, ello no impediría que la del grafeno bicapa rotado fuese exótica.

Rompecabezas teórico

Albert Einstein, Richard Feynman y Werner Heisenberg son solo algunos de los gigantes de la física del siglo XX que fracasaron en su intento de comprender por qué muchos metales comienzan a conducir la electricidad sin resistencia cuando se enfrían a muy bajas temperaturas. En 1957, casi medio siglo después de que se descubriera la superconductividad ordinaria, John Bardeen, Leon Cooper y John Robert Schrieffer consiguieron explicar el fenómeno, un logro que les valió el premio Nobel de física.

Estos investigadores hallaron que, en un metal, la propagación de fonones (excitaciones asociadas a la propagación de ondas acústicas, las cuales provocan pequeñas alteraciones en la disposición de los átomos) tiende a crear concentraciones de carga positiva. Dichas concentraciones atraen los electrones y hacen que estos formen parejas, conocidas como «pares de Cooper». Sin embargo, los pares de Cooper exhiben un comportamiento cuántico muy distinto del de los electrones individuales: pueden formar un fluido cuántico que avanza por el material sin verse obstruido por los átomos de la red. Esta teoría de la superconductividad, en la que las interacciones electrónicas están mediadas por fonones, se conoce como «teoría BCS» en honor a sus autores y concuerda con los resultados de casi todos los experimentos de superconductividad.

No obstante, se conocen formas alternativas de «pegar» electrones, al menos en teoría. Y aunque no son concluyentes, ya se han observado indicios experimentales de tales mecanismos exóticos en algunos superconductores. No obstante, «es como si alguien te dijera que en un pueblo de una isla muy lejana hay gente con tres cabezas», advierte Das Sarma. «Tendríamos que ser muy escépticos.»

En 2018 algunos investigadores pensaron que podían haber dado con esa mítica isla de superconductividad exótica, ya que los electrones del grafeno bicapa girado parecían estar mucho más firmemente unidos que los de los superconductores ordinarios. El interés aumentó a principios de este año, cuando se publicaron dos artículos que anunciaron la emergencia de superconductividad en un sistema similar: tres capas de grafeno giradas con su propio ángulo. Ambas disposiciones compartían una rara simetría rotacional de 180 grados, que, según los teóricos, podría sustentar una forma particularmente exótica de superconductividad basada en ciertos vórtices de electrones conocidos como «skyrmiones».

Grafeno ABC

No obstante, la nueva encarnación del grafeno superconductor parece sorprendentemente sencilla. El «grafeno tricapa ABC», como lo han bautizado Young y sus colaboradores, es uno de los materiales más limpios y sencillos que han podido fabricar. La segunda y la tercera capa no están giradas, sino desplazadas por el equivalente a media celda hexagonal (la celda unitaria del grafeno). De esta manera, los átomos de carbono de la capa inferior caen en el centro de las celdas de la capa superior.

Apilar hojas de grafeno no resulta sencillo, haya o no un giro relativo entre ellas. Los sistemas con capas rotadas están plagados de arrugas que alteran el llamado «ángulo mágico» en diferentes zonas, lo que hace que cada disposición sea única. Cuando Young y sus colaboradores fabricaron sus dispositivos tricapa ABC, la mayoría de los intentos dieron como resultado patrones de alineamiento distintos. Pero, a diferencia de las disposiciones rotadas, aquellas que sí adoptaron la colocación correcta eran todas idénticas entre sí, desde el primer átomo hasta el último. Los átomos quedan «encajados en su sitio como si fueran piezas de Lego», explica Young.

Una vez que los investigadores obtuvieron su primer dispositivo ABC, usaron un campo eléctrico ajustable para mezclar electrones entre las capas. Al variar la distribución de electrones a temperaturas criogénicas, vieron que el sistema se comportaba de forma muy parecida al grafeno girado, saltando entre varios tipos de comportamiento magnético tal y como indicaron los cambios en la forma en que el dispositivo frenaba la corriente eléctrica. Los autores dieron a conocer sus resultados en una prepublicación aparecida el pasado mes de abril.

Al examinar las transiciones con más detalle, identificaron breves parpadeos de resistencia eléctrica nula cuando el material se encontraba una décima de grado por encima del cero absoluto. Y aunque no tenían forma de observar directamente los pares de Cooper, hallaron un comportamiento que Bardeen, Cooper y Schrieffer habrían sabido reconocer.

Mover los electrones entre las tres capas aumentaba el número de configuraciones posibles de las partículas, una cantidad conocida como «densidad de estados del sistema». Y con densidades de estado elevadas, los electrones pueden confraternizar más fácilmente entre sí. La teoría BCS predice que esa libertad electrónica favorece la formación de pares de Cooper. Y eso es precisamente lo que vieron los investigadores: cuando la densidad de estados aumentó, el material mostró dos breves episodios de superconductividad.

Dado que las propiedades de la teoría BCS parecen respetarse, los causantes de la superconductividad en el grafeno podrían ser los fonones ordinarios. «Grazna como un pato y camina como un pato», ejemplifica Das Sarma. «Es natural suponer que los responsables son los fonones.»

Mecanismo incierto

Otros investigadores no están tan convencidos, ya que creen que las pruebas que apuntan a los fonones en el grafeno ABC siguen siendo escasas. Es cierto que la superconductividad parece aumentar con la densidad de estados, pero eso no significa necesariamente que se acomode por completo a la teoría BCS, aduce Mike Zaletel, físico de la materia condensada de la Universidad de California en Berkeley. Zaletel discutió con Young durante la investigación y ha contribuido a desarrollar la teoría de la superconductividad basada en skyrmiones.

En los datos del equipo de Young, Zaletel ve indicios de un tipo de superconductividad ligeramente exótica: algo así como una isla con habitantes con seis dedos, en lugar de con personas con tres cabezas. El físico explica que los dos breves episodios de superconductividad aparecieron justo antes de que los electrones se organizaran en estados ferromagnéticos, con sus estados de espín alineados. Y cuando las regiones del material empiezan a alinearse, esas zonas homogéneas fluctuantes bien podrían haber inducido la formación de pares de Cooper, tal y como en la superconductividad ordinaria hacen los fonones.

El grupo de Young ya está intentando comprobar si el ferromagnetismo es clave para la aparición de la superconductividad en el grafeno tricapa ABC. Si, por el contrario, resultara ser irrelevante, ello apuntaría a un mecanismo ordinario basado en fonones.

Muchos físicos ven con optimismo el sistema analizado por el grupo de Young, pues esperan que les ayude a averiguar cómo emerge la superconductividad en el grafeno. Hasta ahora, la idiosincrasia de cada dispositivo de grafeno rotado hacía imposible que incluso un mismo laboratorio pudiera replicar por completo sus propios resultados. El grafeno tricapa ABC, con su disposición perfecta, permite superar esa dificultad.

«Los materiales son complicados y siempre encuentran una forma de mentirnos», dice Steven Kivelson, físico teórico de Stanford. Lo emocionante de este hallazgo es que promete facilitar materiales reproducibles, «para que todo el mundo pueda obtener la misma respuesta», añade el investigador.

Dado que el grafeno ABC puede convertirse en un superconductor y en varios tipos de imanes sin giros ni trucos obvios, el fenómeno sugiere que también otros materiales relativamente simples podrían exhibir una magia hasta ahora inadvertida. Esa versatilidad «puede estar escondida delante de nosotros en una forma mucho más ubicua de lo que pensábamos», concluye Young.

Charlie Wood

Artículo original traducido por Investigación y Ciencia con el permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión pública de la ciencia.

Referencia: «Superconductivity in rhombohedral trilayer graphene»; Haoxin Zhou et al. en arXiv:2106.07640, 14 de junio de 2021.

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