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Nuevos estados en el grafeno «mágico»

Dos trabajos descubren propiedades electrónicas hasta ahora desconocidas en el grafeno. El hallazgo augura todo tipo de avances tecnológicos y podría ayudar a entender la superconductividad de altas temperaturas.

MUCHO MÁS QUE UN SUPERCONDUCTOR: En 2018 se descubrió que, al superponer dos capas de grafeno (gris y marrón), el material podía exhibir propiedades superconductoras. En el último año, nuevas investigaciones han revelado que el abanico de comportamientos de este material es en realidad mucho más rico e incluye también fases aislantes, magnéticas y topológicas (colores, recreación artística). [INSTITUTO DE CIENCIAS FOTÓNICAS/F. VIALLA]

El descubrimiento de nuevos materiales ha encendido revoluciones tecnológicas desde la Edad de Piedra. Hoy en día, tal vez los materiales que mejor definen nuestro mundo sean los empleados para fabricar los componentes básicos de nuestra tecnología: semiconductores, imanes o superconductores, los cuales se hallan en el corazón de transistores, dispositivos de memoria y todo tipo de equipamiento científico y técnico.

Un sueño de la ciencia moderna es disponer de materiales capaces de exhibir distintas propiedades al mismo tiempo. La idea que se persigue con ello es poder activar o desactivar las propiedades elegidas para, según la necesidad, poder convertirlos en un imán o en un superconductor sin más que presionar un botón. Si bien semejante objetivo ha sido una fantasía durante muchos años, dos trabajos recientes de nuestro equipo de investigación han demostrado que algo así es posible.

El material en el que se han centrado nuestras investigaciones ha sido el grafeno, el cual se compone de capas de carbono de un solo átomo de espesor. Y la manera de modificar sus propiedades ha resultado ser tan inesperada como simple: superponer dos láminas y girarlas ligeramente una con respecto a la otra. Los resultados revisten gran interés tanto teórico como práctico, y cabe esperar que en un futuro cercano puedan generalizarse a otros materiales bidimensionales. Aparte de ayudar a conocer mejor las ricas propiedades electrónicas del grafeno, el hallazgo encierra el potencial de revolucionar todo tipo de aplicaciones tecnológicas.

Superconductividad oculta

En líneas generales, las propiedades de un material dependen de las especies atómicas que lo componen y de cómo se disponen sus átomos en la red cristalina. Ello da lugar a distintas estructuras periódicas y simetrías, las cuales determinan las propiedades electrónicas de la muestra y hacen que se comporte como un semiconductor, un imán o un superconductor, entre otras posibilidades.

Con el objetivo de hallar nuevos comportamientos electrónicos, durante las últimas décadas los científicos se han concentrado en sintetizar cristales cada vez más complejos. Por ejemplo, combinar un número creciente de especies atómicas en una misma muestra ha permitido obtener todo tipo de materiales exóticos que no se dan en la naturaleza. Al mismo tiempo, para emplear esos materiales en la electrónica moderna, los investigadores han tratado de reducir sus dimensiones hasta escalas nanométricas. Dicha miniaturización también aumenta la sensibilidad de los materiales a los campos eléctricos y magnéticos, lo que permite que estos alteren sus propiedades.

En este contexto, el grafeno, compuesto por átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal bidimensional, constituye una gran anomalía. Al ser el material más simple y delgado posible, su hallazgo en 2004 proporcionó un firme candidato para revolucionar la electrónica. Por un lado, es un excelente conductor de la electricidad, en el que la corriente puede controlarse fácilmente mediante la aplicación de un campo eléctrico. Sin embargo, y debido precisamente a su simplicidad, una sola capa de este material carece de fases electrónicas más complejas, como las que exhiben los materiales magnéticos o superconductores.

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