Credits: Image: Courtesy of the researchers

Físicos del MIT han observado indicios de un tipo raro de superconductividad en un material llamado grafeno tricapa de ángulo mágico. En un estudio que se publica hoy en Nature, los investigadores informan de que el material presenta superconductividad a campos magnéticos sorprendentemente altos, de hasta 10 Tesla, que es tres veces superior a lo que se prevé que el material pueda soportar si fuera un superconductor convencional.

Los resultados implican claramente que el grafeno tricapa de ángulo mágico, descubierto inicialmente por el mismo grupo, es un tipo muy raro de superconductor, conocido como "triplete de espín", que es impermeable a los campos magnéticos elevados. Estos superconductores exóticos podrían mejorar enormemente tecnologías como la resonancia magnética, que utiliza cables superconductores bajo un campo magnético para resonar con el tejido biológico y obtener imágenes de él. Actualmente, las máquinas de resonancia magnética están limitadas a campos magnéticos de 1 a 3 Tesla. Si se pudieran construir con superconductores de espín-triple, la IRM podría funcionar con campos magnéticos más altos para producir imágenes más nítidas y profundas del cuerpo humano.

La nueva prueba de la superconductividad de triples de espín en el grafeno de tres capas también podría ayudar a los científicos a diseñar superconductores más fuertes para la computación cuántica práctica.

"El valor de este experimento es lo que nos enseña sobre la superconductividad fundamental, sobre cómo pueden comportarse los materiales, de modo que, con esas lecciones aprendidas, podemos intentar diseñar principios para otros materiales que serían más fáciles de fabricar, que quizás podrían dar una mejor superconductividad", dice Pablo Jarillo-Herrero, profesor de física Cecil e Ida Green en el MIT.

Entre los coautores del trabajo se encuentran el postdoctorado Yuan Cao y el estudiante de posgrado Jeong Min Park, del MIT, y Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi, del Instituto Nacional de Ciencia de los Materiales de Japón.

Cambio extraño

Los materiales superconductores se definen por su capacidad de conducir la electricidad sin perder energía. Cuando se exponen a una corriente eléctrica, los electrones de un superconductor se acoplan en "pares de Cooper" que luego viajan por el material sin resistencia, como los pasajeros de un tren expreso.

En la gran mayoría de los superconductores, estos pares de pasajeros tienen espines opuestos, con un electrón girando hacia arriba y el otro hacia abajo, una configuración conocida como "spin-singlet". Estos pares se desplazan felizmente a través de un superconductor, excepto bajo campos magnéticos elevados, que pueden desplazar la energía de cada electrón en direcciones opuestas, separando el par. De este modo, y a través de mecanismos, los campos magnéticos elevados pueden hacer descarrilar la superconductividad en los superconductores de espín-singlet convencionales.  

"Esa es la razón última por la que en un campo magnético lo suficientemente grande, la superconductividad desaparece", afirma Park.

Pero existe un puñado de superconductores exóticos que son impermeables a los campos magnéticos, hasta fuerzas muy grandes. Estos materiales son superconductores mediante pares de electrones con el mismo espín, una propiedad conocida como "espín-triple". Cuando se exponen a campos magnéticos elevados, la energía de los dos electrones de un par de Cooper se desplaza en la misma dirección, de manera que no se separan, sino que continúan superconductores imperturbables, independientemente de la intensidad del campo magnético.

El grupo de Jarillo-Herrero tenía curiosidad por saber si el grafeno de ángulo mágico podría albergar signos de esta superconductividad de triplete de espín más inusual. El equipo ha realizado un trabajo pionero en el estudio de las estructuras de moiré del grafeno, es decir, capas de redes de carbono finas como un átomo que, cuando se apilan en ángulos específicos, pueden dar lugar a comportamientos electrónicos sorprendentes.

Los investigadores informaron inicialmente de estas curiosas propiedades en dos láminas anguladas de grafeno, a las que denominaron grafeno bicapa de ángulo mágico. Pronto hicieron pruebas con el grafeno tricapa, una configuración en sándwich de tres hojas de grafeno que resultó ser aún más resistente que su homólogo bicapa, conservando la superconductividad a temperaturas más altas. Cuando los investigadores aplicaron un campo magnético modesto, observaron que el grafeno de tres capas era capaz de superconducir a intensidades de campo que destruirían la superconductividad en el grafeno de dos capas.

"Pensamos que esto es algo muy extraño", dice Jarillo-Herrero.

Un súper regreso

En su nuevo estudio, los físicos probaron la superconductividad del grafeno tricapa bajo campos magnéticos cada vez más altos. Fabricaron el material desprendiendo capas atómicas de carbono de un bloque de grafito, apilando tres capas y girando la del medio 1,56 grados con respecto a las capas exteriores. Conectaron un electrodo a cada extremo del material para hacer pasar una corriente y medir la energía perdida en el proceso. Luego encendieron un gran imán en el laboratorio, con un campo que orientaron en paralelo al material.

A medida que aumentaban el campo magnético alrededor del grafeno tricapa, observaron que la superconductividad se mantenía fuerte hasta un punto antes de desaparecer, pero luego reaparecía curiosamente a mayores intensidades de campo, un regreso que es muy inusual y que no se conoce que ocurra en los superconductores spin-singlet convencionales.

"En los superconductores de espín-singlet, si se mata la superconductividad, no vuelve a aparecer, se va para siempre", dice Cao. "Aquí, reapareció de nuevo. Así que esto dice definitivamente que este material no es spin-singlet".

También observaron que tras la "reentrada", la superconductividad persistía hasta 10 Tesla, la máxima intensidad de campo que podía producir el imán del laboratorio. Esto es unas tres veces superior a lo que el superconductor debería soportar si fuera un spin-singlet convencional, según el límite de Pauli, una teoría que predice el campo magnético máximo al que un material puede conservar la superconductividad.

La reaparición de la superconductividad en el grafeno tricapa, junto con su persistencia en campos magnéticos más altos de lo previsto, descarta la posibilidad de que el material sea un superconductor corriente. En su lugar, es probable que se trate de un tipo muy raro, posiblemente un triplete de espín, que alberga pares de Cooper que se desplazan a gran velocidad por el material, impermeable a los campos magnéticos elevados. El equipo tiene previsto profundizar en el material para confirmar su estado de espín exacto, lo que podría ayudar a diseñar máquinas de resonancia magnética más potentes y también ordenadores cuánticos más robustos.

"La computación cuántica normal es muy frágil", dice Jarillo-Herrero. "Lo miras y, puf, desaparece. Hace unos 20 años, los teóricos propusieron un tipo de superconductividad topológica que, si se realizara en cualquier material, podría [permitir] un ordenador cuántico en el que los estados responsables de la computación fueran muy robustos. Eso daría una potencia infinita para hacer computación. El ingrediente clave para conseguirlo serían los superconductores de espín-triple, de un determinado tipo. No tenemos ni idea de si nuestro tipo es de ese tipo. Pero incluso si no lo es, esto podría facilitar la colocación del grafeno tricapa con otros materiales para diseñar ese tipo de superconductividad. Eso podría ser un gran avance. Pero aún es muy pronto".

Esta investigación ha contado con el apoyo del Departamento de Energía de Estados Unidos, la National Science Foundation, la Gordon and Betty Moore Foundation, la Fundación Ramón Areces y el Programa de Materiales Cuánticos del CIFAR.

Autor

MIT

Promover la investigación, las innovaciones, la enseñanza y los eventos y las personas de interés periodístico del MIT a la comunidad del campus, los medios de comunicación y el público en general, Comunicar anuncios del Instituto, Publicar noticias de la comunidad para profesores, estudiantes, personal y ex alumnos del MIT. Proporcionar servicios de medios a los miembros de la comunidad, incluido el asesoramiento sobre cómo trabajar con periodistas, Responder a consultas de los medios y solicitudes de entrevistas...