Sorprendente descubrimiento de grafeno podría revelar secretos de superconductividad

Los físicos hacen que las láminas desalineadas del material de carbono conduzcan electricidad sin resistencia.

El grafeno, el material de carbono de un átomo de espesor, actúa como un superconductor cuando dos hojas se colocan en capas en un ángulo específico. Crédito: Laguna Design / Getty

 

Un sándwich de dos capas de grafeno puede conducir electrones sin resistencia si están retorcidos en un "ángulo mágico", los físicos han descubierto. El hallazgo podría ser un paso significativo en la búsqueda de superconductores a temperatura ambiente durante décadas.

La mayoría de los superconductores funcionan solo a temperaturas cercanas al cero absoluto. Incluso los superconductores de "alta temperatura" se llaman así solo en un sentido relativo: la temperatura más alta a la que conducen la electricidad sin resistencia es de alrededor de -140 ºC. Un material que muestre la propiedad a temperatura ambiente, eliminando la necesidad de un costoso enfriamiento, podría revolucionar la transmisión de energía, los escáneres médicos y el transporte.

Los físicos ahora informan que disponer dos capas de grafeno de un átomo de grosor para que el patrón de sus átomos de carbono esté compensado por un ángulo de 1.1º hace que el material sea un superconductor. Y aunque el sistema aún necesitaba enfriarse a 1,7 grados por encima del cero absoluto, los resultados sugieren que puede conducir la electricidad de manera muy similar a los superconductores de alta temperatura conocidos, y eso ha entusiasmado a los físicos. Los hallazgos se publicaron en dos documentos de Nature1,2 el 5 de marzo.

Si se confirma, este descubrimiento podría ser "muy importante" para la comprensión de la superconductividad a altas temperaturas, dice Elena Bascones, física del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid. "Podemos esperar un frenesí de actividad experimental en los próximos meses para completar las partes que faltan de la imagen", dice Robert Laughlin, físico y premio Nobel de la Universidad de Stanford en California.

Los superconductores vienen en general en dos tipos: convencional, en el que la actividad puede ser explicada por la teoría dominante de la superconductividad, y no convencional, donde no puede. Los últimos estudios sugieren que el comportamiento superconductor del grafeno no es convencional, y tiene un paralelismo con la actividad observada en otros superconductores no convencionales llamados cupratos. Se sabe que estos óxidos de cobre complejos conducen la electricidad hasta 133 grados por encima del cero absoluto. Y aunque los físicos se han centrado en los cupratos durante tres décadas en su búsqueda de superconductores a temperatura ambiente, el mecanismo subyacente los ha desconcertado.

A diferencia de los cupratos, el sistema de grafeno apilado es relativamente simple y el material es bien conocido. "La asombrosa implicación es que la superconductividad de cuprato fue algo simple todo el tiempo. Fue difícil calcularlo correctamente ", dice Laughlin.

Truco de magia

 

El grafeno ya tiene propiedades impresionantes: sus láminas, hechas de capas simples de átomos de carbono dispuestas en hexágonos, son más fuertes que el acero y conducen la electricidad mejor que el cobre. Ha demostrado superconductividad antes3, pero se produjo cuando estaba en contacto con otros materiales, y el comportamiento podría explicarse por la superconductividad convencional.

El físico Pablo Jarillo-Herrero del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Cambridge y su equipo no estaban buscando superconductividad cuando montaron su experimento. En cambio, estaban explorando cómo la orientación apodada el ángulo mágico podría afectar al grafeno. Los teóricos han predicho que compensar los átomos entre capas de materiales 2D en este ángulo particular podría inducir a los electrones que se deslizan a través de las láminas a interactuar de maneras interesantes, aunque no sabían exactamente cómo.

El equipo vio inmediatamente un comportamiento inesperado en su configuración de dos hojas. Primero, las mediciones de la conductividad del grafeno y la densidad de las partículas que llevan carga indicaban que la construcción se había convertido en un aislante de Mott2, un material que tiene todos los ingredientes para conducir electrones, pero cuyas interacciones entre las partículas impiden que fluyan. Luego, los investigadores aplicaron un pequeño campo eléctrico para alimentar a solo unos pocos portadores de carga extra en el sistema, y ​​se convirtió en un superconductor1. El hallazgo se mantuvo en un experimento tras otro, dice Jarillo-Herrero. "Hemos producido todo esto en diferentes dispositivos y lo hemos medido con colaboradores. Esto es algo en lo que estamos muy seguros ", dice.

Un material compuesto por dos capas de grafeno, retorcidas en un ángulo de 1.1º (ilustrado a la derecha), muestra propiedades superconductoras. Cortesía de los investigadores

 

La existencia de un estado aislante tan cercano a la superconductividad es un sello distintivo de los superconductores no convencionales como los cupratos. Cuando los investigadores trazaron diagramas de fase que registraron la densidad electrónica del material frente a su temperatura, vieron patrones muy similares a los observados para los cupratos. Eso proporciona más evidencia de que los materiales pueden compartir un mecanismo superconductor, dice Jarillo-Herrero.

Finalmente, aunque el grafeno muestra superconductividad a muy baja temperatura, lo hace con solo una diezmilésima parte de la densidad de electrones de los superconductores convencionales que obtienen la capacidad a la misma temperatura. En los superconductores convencionales, se cree que el fenómeno surge cuando las vibraciones permiten que los electrones formen parejas, lo que estabiliza su trayectoria y les permite fluir sin resistencia. Pero con tan pocos electrones disponibles en el grafeno, el hecho de que puedan emparejarse de alguna manera sugiere que la interacción en juego en este sistema debería ser mucho más fuerte que lo que ocurre en los superconductores convencionales.

Confusión de conductividad

 

Los físicos discrepan ampliamente sobre cómo los electrones podrían interactuar en superconductores no convencionales. "Uno de los cuellos de botella de la superconductividad a alta temperatura ha sido el hecho de que no entendemos, incluso ahora, lo que realmente es pegar los electrones en pares", dice Robinson.

Pero los dispositivos basados ​​en grafeno serán más fáciles de estudiar que los cupratos, lo que los convierte en plataformas útiles para explorar la superconductividad, dice Bascones. Por ejemplo, para explorar la raíz de la superconductividad en cupratos, los físicos a menudo necesitan someter los materiales a campos magnéticos extremos. Y "afinarlos" para explorar sus diferentes comportamientos significa crecer y estudiar resmas de diferentes muestras; Con el grafeno, los físicos pueden lograr los mismos resultados simplemente modificando un campo eléctrico.

Kamran Behnia, físico del Instituto Superior de Física Industrial y Química de París, aún no está convencido de que el equipo del MIT pueda afirmar definitivamente haber visto el estado del aislante Mott, aunque afirma que los hallazgos sugieren que el grafeno es un superconductor, y potencialmente un inusual.

Los físicos aún no pueden afirmar con certeza que el mecanismo superconductor en los dos materiales es el mismo. Y Laughlin agrega que aún no está claro que todo el comportamiento observado en los cupratos ocurra en el grafeno. "Pero suficientes de los comportamientos están presentes en estos nuevos experimentos para dar lugar a una celebración cautelosa", dice.

Los físicos han estado "dando tumbos en la oscuridad durante 30 años" tratando de entender los cupratos, dice Laughlin. "Muchos de nosotros pensamos que una luz acaba de encenderse".

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