Físicos del MIT descubren una «familia» de estructuras de grafeno para uso en dispositivos superconductores

• Si las propiedades entre los miembros de la familia del grafeno pudieran replicarse en otros materiales conductores naturales, podrían aprovecharse, por ejemplo, para entregar electricidad sin disipación o construir trenes que levitan magnéticamente y funcionan sin fricción.

Un hallazgo revolucionario hizo un grupo de investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT; por su sigla en inglés) en un estudio físico sobre las propiedades del grafeno, un material delgado de un solo átomo que se puede exfoliar del mismo grafito que se encuentra en la mina de un lápiz. El material ultrafino está hecho completamente de átomos de carbono que están dispuestos en un patrón hexagonal simple, similar al de la malla gallinera. Desde su aislamiento en 2004, se ha descubierto que el grafeno incorpora numerosas propiedades notables en su forma de una sola capa.

Cuando se trata de grafeno, parece que la superconductividad viene de familia. En 2018, los investigadores del MIT descubrieron que, si dos capas de grafeno se apilan en un ángulo «mágico» muy específico, la estructura de bicapa retorcida podría exhibir una superconductividad robusta, un estado material muy buscado en el que una corriente eléctrica puede fluir sin pérdida de energía. Recientemente, el mismo grupo descubrió que existe un estado superconductor similar en el grafeno tricapa retorcido, una estructura hecha de tres capas de grafeno apiladas en un ángulo mágico nuevo y preciso.

Ahora, el equipo informa que, lo adivinó, cuatro y cinco capas de grafeno se pueden torcer y apilar en nuevos ángulos mágicos para provocar una superconductividad robusta a bajas temperaturas. Este último descubrimiento, publicado esta semana en Nature Materials, establece las diversas configuraciones retorcidas y apiladas de grafeno como la primera «familia» conocida de superconductores de ángulo mágico multicapa. El equipo también identificó similitudes y diferencias entre los miembros de la familia del grafeno.

SUPERCONDUCTORES PRÁCTICOS

Los hallazgos podrían servir como modelo para diseñar superconductores prácticos a temperatura ambiente. Si las propiedades entre los miembros de la familia pudieran replicarse en otros materiales conductores naturales, podrían aprovecharse, por ejemplo, para entregar electricidad sin disipación o construir trenes que levitan magnéticamente y funcionan sin fricción.

«El sistema de grafeno de ángulo mágico es ahora una ‘familia’ legítima, más allá de un par de sistemas», dice el autor principal Jeong Min (Jane) Park, estudiante graduado en el Departamento de Física del MIT. “Tener esta familia es particularmente significativo porque proporciona una forma de diseñar superconductores robustos”.

Los coautores de Park en el MIT incluyen a Yuan Cao, Li-Qiao Xia, Shuwen Sun y Pablo Jarillo-Herrero, el profesor de física Cecil e Ida Green, junto con Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Tsukuba, Japón.

«SIN LÍMITE»

El grupo de Jarillo-Herrero fue el primero en descubrir el grafeno de ángulo mágico, en forma de una estructura bicapa de dos láminas de grafeno colocadas una encima de la otra y ligeramente desplazadas en un ángulo preciso de 1,1 grados. Esta configuración retorcida, conocida como superred de muaré, transformó el material en un superconductor fuerte y persistente a temperaturas ultra bajas.

Los investigadores también encontraron que el material exhibía un tipo de estructura electrónica conocida como «banda plana», en la que los electrones del material tienen la misma energía, independientemente de su impulso. En este estado de banda plana, y a temperaturas ultra frías, los electrones normalmente frenéticos se ralentizan colectivamente lo suficiente como para emparejarse en lo que se conoce como pares de Cooper, ingredientes esenciales de la superconductividad que pueden fluir a través del material sin resistencia.

Si bien los investigadores observaron que el grafeno bicapa retorcido exhibía tanto superconductividad como una estructura de banda plana, no estaba claro si el primero surgió del segundo.

«No hubo pruebas de que una estructura de banda plana condujera a la superconductividad», dice Park. “Desde entonces, otros grupos han producido otras estructuras retorcidas a partir de otros materiales que tienen una banda plana, pero en realidad no tenían una superconductividad robusta. Entonces nos preguntamos: ¿podríamos producir otro dispositivo superconductor de banda plana?

Mientras consideraban esta pregunta, un grupo de la Universidad de Harvard derivó cálculos que confirmaron matemáticamente que tres capas de grafeno, retorcidas a 1,6 grados, exhibirían también bandas planas y sugirieron que pueden ser superconductoras. Continuaron demostrando que no debería haber límite para la cantidad de capas de grafeno que exhiben superconductividad, si se apilan y giran de la manera correcta, en los ángulos que también predijeron. Finalmente, demostraron que podían relacionar matemáticamente cada estructura multicapa con una estructura de banda plana común, prueba sólida de que una banda plana puede conducir a una superconductividad robusta.

“Descubrieron que puede haber toda esta jerarquía de estructuras de grafeno, hasta capas infinitas, que podría corresponder a una expresión matemática similar para una estructura de banda plana”, dice Park.

Poco después de ese trabajo, el grupo de Jarillo-Herrero descubrió que, de hecho, la superconductividad y una banda plana surgieron en el grafeno tricapa retorcido : tres láminas de grafeno, apiladas como un sándwich de queso, la capa de queso del medio se desplazó 1,6 grados con respecto a las capas externas intercaladas. Pero la estructura tricapa también mostró diferencias sutiles en comparación con su contraparte bicapa.

“Eso nos hizo preguntar, ¿dónde encajan estas dos estructuras en términos de toda la clase de materiales, y son de la misma familia?”, dice Park.

UNA FAMILIA POCO CONVENCIONAL

En el estudio actual, el equipo buscó nivelar el número de capas de grafeno. Fabricaron dos nuevas estructuras, hechas de cuatro y cinco capas de grafeno, respectivamente. Cada estructura se apila alternativamente, de forma similar al sándwich de queso desplazado de grafeno tricapa retorcido.

El equipo mantuvo las estructuras en un refrigerador por debajo de 1 kelvin (alrededor de -273 grados Celsius), pasó corriente eléctrica a través de cada estructura y midió la salida en varias condiciones, similar a las pruebas para sus sistemas bicapa y tricapa.

En general, encontraron que el grafeno retorcido de cuatro y cinco capas también exhibe una superconductividad robusta y una banda plana. Las estructuras también compartían otras similitudes con su contraparte de tres capas, como su respuesta bajo un campo magnético de intensidad, ángulo y orientación variables.

Estos experimentos mostraron que las estructuras de grafeno retorcidas podrían considerarse una nueva familia o clase de materiales superconductores comunes. Los experimentos también sugirieron que puede haber una oveja negra en la familia: la estructura bicapa retorcida original, aunque compartía propiedades clave, también mostró diferencias sutiles con respecto a sus hermanos. Por ejemplo, los experimentos previos del grupo mostraron que la superconductividad de la estructura se descomponía bajo campos magnéticos más bajos y era más desigual a medida que el campo giraba, en comparación con sus hermanos multicapa.

El equipo realizó simulaciones de cada tipo de estructura, buscando una explicación de las diferencias entre los miembros de la familia. Llegaron a la conclusión de que el hecho de que la superconductividad del grafeno bicapa torcido desaparezca bajo ciertas condiciones magnéticas se debe simplemente a que todas sus capas físicas existen en una forma «no reflejada» dentro de la estructura. En otras palabras, no hay dos capas en la estructura que sean espejos opuestos entre sí, mientras que los hermanos multicapa del grafeno exhiben algún tipo de simetría especular. Estos hallazgos sugieren que el mecanismo que impulsa a los electrones a fluir en un estado superconductor robusto es el mismo en toda la familia del grafeno retorcido.

“Eso es muy importante”, señala Park. “Sin saber esto, la gente podría pensar que el grafeno bicapa es más convencional en comparación con las estructuras multicapa. Pero mostramos que toda esta familia puede ser superconductores robustos no convencionales”.

Esta investigación fue apoyada, en parte, por el Departamento de Energía de EE. UU., la Fundación Nacional de Ciencias, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Fundación Gordon y Betty Moore, la Fundación Ramón Areces y el Programa CIFAR sobre Materiales Cuánticos. (Fuente: Jennifer Chu | Oficina de noticias del MIT)