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  • 07/03/2018

Física

Un sorprendente descubrimiento sobre el grafeno podría desentrañar secretos de la superconductividad

Se logra que unas capas de grafeno mal alineadas conduzcan electricidad sin resistencia.

Nature

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Un material hecho de dos capas de grafeno giradas entre sí 1,1º (el «ángulo mágico») muestra propiedades superconductoras [Yuan Cao et al.]

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Grafeno y nanotubos Grafeno y nanotubos

En los últimos años, el material bidimensional grafeno (formado por una sola capa de átomos de carbono) y su versión enrollada, los nanotubos de carbono, han dado lugar a una avalancha de publicaciones debido a sus insólitas propiedades electrónicas, térmicas, ópticas y mecánicas. ¿Cuál es el origen físico de estas características? ¿Qué aplicaciones permiten? Este monográfico digital (en PDF) te ofrece una selección de los mejores artículos publicados en Investigación y Ciencia sobre dos alótropos del carbono llamados a perfilar el futuro de la microelectrónica, la nanotecnología y la ciencia de materiales.

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Unos físicos han descubierto que un emparedado de dos capas de grafeno puede conducir electrones sin resistencia si están desalineadas entre sí según un «ángulo mágico». Podría ser un paso importante en la larga búsqueda de la superconductividad a temperatura ambiente.

La mayoría de los superconductores funciona solo a temperaturas cercanas al cero absoluto. Los «superconductores de alta temperatura» se llaman así solo en un sentido relativo: la mayor temperatura a que conducen electricidad sin resistencia es de unos -140 grados. Un material que exhibiese esa característica a temperatura ambiente, con lo que se prescindiría de un caro enfriamiento, revolucionaría la transmisión de energía, los escáneres médicos y el transporte.

Se ha informado ahora de que el grafeno se vuelve superconductor cuando se disponen dos capas de grafeno de un solo átomo de espesor de modo que el patrón de los átomos de carbono de una esté desplazado con respecto al de la otra en un ángulo de 1,1º. Y aunque el sistema aún tiene que ser enfriado a 1,7 grados sobre el cero absoluto, el resultado da a entender que podría conducir electricidad como lo hacen unos superconductores de alta temperatura ya conocidos, y eso ha apasionado a los físicos. Se ha publicado el 5 de marzo, junto con otro artículo, en Nature.

Si se confirma, este descubrimiento podría ser «muy importante» para el conocimiento de la superconductividad de alta temperatura, dice Elena Bascones, física del Instituto de Ciencia de los Materiales de Madrid. «Podemos esperar un frenesí de actividad experimental en los próximos meses», afirma Robert Laughlin, físico de la Universidad Stanford de California y premio Nobel.

Hay, en líneas generales, dos tipos de superconductores: los convencionales, cuyo comportamiento puede ser explicado por la teoría de la superconductividad ordinaria, y los que no son convencionales y no pueden ser explicados por esa teoría. Los últimos estudios parecen indicar que la superconductividad en el grafeno no es convencional y tiene paralelismos con la de otros superconductores no convencionales, los cupratos. Se sabe que estos complejos óxidos de cobre conducen electricidad hasta los 133 grados sobre el cero absoluto. Y aunque los físicos llevan estudiando los cupratos durante treinta años en su persecución de la superconductividad a temperatura ambiente, el mecanismo por el que son superconductores sigue escapándoseles.

A diferencia de los cupratos, el sistema de grafeno apilado es bastante simple y se trata de un material que se entiende bien. «La asombrosa consecuencia es que la superconductividad de los cupratos había estado siendo en todo momento algo muy simple», dice Laughlin.

Truco mágico

El grafeno ya tenía propiedades impresionantes: sus láminas, formadas por una sola capa de átomos de carbono dispuestos en hexágonos, son más fuertes que el hierro y conducen la electricidad mejor que el cobre. Ha mostrado superconductividad antes, pero se producía en contacto con otros materiales y el comportamiento se podía explicar con la superconductividad convencional.

El físico Pablo Jarillo Herrero, del Instituto de Tecnología de Massachusetts, y su equipo no buscaban la superconductividad cuando empezaron su experimento. Estaban explorando de qué forma podía afectar al grafeno una orientación conocida como el ángulo mágico. Los teóricos predicen que el desplazamiento de los átomos entre capas bidimensionales de materiales en ese ángulo particular podría inducir a los electrones que se mueven por las láminas a interaccionar de formas interesantes, aunque no sabían exactamente cómo.

El equipo vio inmediatamente un comportamiento inesperado en su montaje de dos capas. En primer lugar, las mediciones de la conductividad del grafeno y la densidad de las partículas que transportan carga en su interior indicaban que la construcción se había convertido en un aislante de Mott: un material que tiene todos los ingredientes para conducir electrones pero en el que las interacciones entre las partículas impiden a aquellos fluir. A continuación, los investigadores aplicaron una pequeña corriente eléctrica para introducir solo unos pocos portadores de carga adicionales en el sistema, y se convirtió en superconductor. El hallazgo reapareció experimento tras experimento, dice Jarillo Herrero. «Lo hemos producido todo en diferentes dispositivos y medido con diferentes colaboradores. Estamos muy convencidos del resultado», afirma.

La existencia de un estado aislante tan cerca de la superconductividad es una señal distintiva de los superconductores no convencionales, como los cupratos. Cuando los investigadores dibujaron los diagramas de fase que representan la densidad de electrones del material en función de su temperatura, vieron patrones muy parecidos a los de los cupratos. Esto proporciona nuevos indicios de que estos materiales podrían compartir un mecanismo superconductor, dice Jarillo.

Por último, aunque el grafeno exhibe superconductividad a una temperatura muy baja, lo hace con solo una diezmilésima de la densidad de electrones de los superconductores convencionales que adquieren esa condición a la misma temperatura. Se cree que el fenómeno surge en los superconductores convencionales cuando las vibraciones permiten a los electrones formar pares, que estabilizan su trayectoria y les dejan fluir sin resistencia. Pero con tan pocos electrones disponibles en el grafeno, el que de alguna forma puedan emparejarse apunta a que la interacción que interviene es mucho más fuerte que lo que ocurre en los superconductores convencionales.

Confusión con la conductividad

Los físicos no pueden discrepar más acerca de cómo podrían interaccionar los electrones en los superconductores no convencionales. «Uno de los cuellos de botella de la superconductividad de alta temperatura ha sido el que no entendamos, ni siquiera ahora, qué pega en realidad los pares de electrones», mantiene Robinson.

Pero será más fácil estudiar los dispositivos basados en el grafeno que los basados en cupratos, lo cual convierte a aquellos en plataformas útiles para explorar la superconductividad, dice Bascones. Por ejemplo, para explorar las raíces de las superconductividad en los cupratos los físicos necesitan a menudo someter los materiales a campos magnéticos extremos. Y «sintonizarlos» para explorar sus diferentes comportamientos significa cultivar y estudiar montones de muestras diferentes; con el grafeno se pueden conseguir los mismos resultados solo con ajustar un campo eléctrico.

Kamran Behnia, físico del Instituto Superior de Física y Química Industriales de París, no está todavía convencido de que el equipo del MIT pueda proclamar definitivamente que ha visto el estado de aislante de Mott, aunque, dice, los hallazgos apuntan a que el grafeno es un superconductor y potencialmente uno inusual.

No se puede todavía afirmar con certeza que el mecanismo superconductor sea el mismo en los dos materiales. Y Laughlin añade que no está todavía claro que todo el comportamiento visto en los cupratos vaya a producirse en el grafeno. «Pero hay bastantes de esos comportamientos presentes en los nuevos experimentos como para festejarlo cautamente», dice.

Los físicos llevan «dando tumbos a oscuras durante treinta años» intentando entender los cupratos, añade Laughlin. «Muchos creemos que se acaba de encender una luz».

Elizabeth Gibney / Nature News

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.

Referencia: «Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices» y «Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices», de Yuan Cao et al., en Nature, publicación adelantada en Internet el 5 de marzo de 2018.

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