Imagen. / MIT

Con un cuidadoso giro y apilamiento, los físicos del MIT han revelado una propiedad nueva y exótica en el grafeno de "ángulo mágico": la superconductividad que se puede encender y apagar con un pulso eléctrico, como un interruptor de luz.

El descubrimiento podría conducir a transistores superconductores ultrarrápidos y energéticamente eficientes para dispositivos neuromórficos, dispositivos electrónicos diseñados para operar de una manera similar a la rápida activación/desactivación de las neuronas en el cerebro humano.

El grafeno de ángulo mágico se refiere a un apilamiento muy particular de grafeno: un material delgado como un átomo hecho de átomos de carbono que están unidos en un patrón hexagonal que se asemeja a la tela metálica. Cuando una hoja de grafeno se apila sobre una segunda hoja en un ángulo "mágico" preciso, la estructura retorcida crea un patrón de "muaré" ligeramente desplazado, o superred, que es capaz de admitir una serie de comportamientos electrónicos sorprendentes.

En 2018, Pablo Jarillo-Herrero y su grupo en el MIT fueron los primeros en demostrar el grafeno bicapa retorcido de ángulo mágico. Demostraron que la nueva estructura bicapa podría comportarse como un aislante, al igual que la madera, cuando aplicaron un cierto campo eléctrico continuo. Cuando aumentaron el campo, el aislante se transformó repentinamente en un superconductor, lo que permitió que los electrones fluyeran sin fricción.

Ese descubrimiento fue un punto de inflexión en el campo de la "twistrónica", que explora cómo surgen ciertas propiedades electrónicas de la torsión y la formación de capas de materiales bidimensionales. Los investigadores, incluido Jarillo-Herrero, han seguido revelando propiedades sorprendentes en el grafeno de ángulo mágico, incluidas varias formas de cambiar el material entre diferentes estados electrónicos. Hasta ahora, estos "interruptores" han actuado más como atenuadores, en el sentido de que los investigadores deben aplicar continuamente un campo eléctrico o magnético para activar la superconductividad y mantenerla activada.

Ahora Jarillo-Herrero y su equipo han demostrado que la superconductividad en el grafeno de ángulo mágico se puede activar y mantener con solo un pulso corto en lugar de un campo eléctrico continuo. Descubrieron que la clave era una combinación de torcer y apilar.

En un artículo que aparece hoy en Nature Nanotechnology, el equipo informa que, al apilar grafeno de ángulo mágico entre dos capas compensadas de nitruro de boro, un material aislante bidimensional, la alineación única de la estructura tipo sándwich permitió a los investigadores activar la superconductividad del grafeno. y se apaga con un pulso eléctrico corto.

"Para la gran mayoría de los materiales, si eliminas el campo eléctrico, zzzzip, el estado eléctrico desaparece", dice Jarillo-Herrero, profesor de física Cecil e Ida Green en el MIT. “Esta es la primera vez que se fabrica un material superconductor que puede encenderse y apagarse eléctricamente, de manera abrupta. Esto podría allanar el camino para una nueva generación de electrónica superconductora basada en grafeno retorcido”.

Sus coautores del MIT son la autora principal Dahlia Klein PhD ´21, el estudiante graduado Li-Qiao Xia y el ex postdoctorado David MacNeill, junto con Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Japón.

Activando el interruptor

En 2019, un equipo de la Universidad de Stanford descubrió que el grafeno de ángulo mágico podría convertirse en un estado ferromagnético. Los ferroimanes son materiales que conservan sus propiedades magnéticas, incluso en ausencia de un campo magnético aplicado externamente.

Los investigadores descubrieron que el grafeno de ángulo mágico podría exhibir propiedades ferromagnéticas de una manera que podría activarse y desactivarse. Esto sucedió cuando las láminas de grafeno se colocaron en capas entre dos láminas de nitruro de boro, de modo que la estructura cristalina del grafeno se alineó con una de las capas de nitruro de boro. La disposición se parecía a un sándwich de queso en el que las orientaciones de la rebanada de pan superior y del queso están alineadas, pero la rebanada de pan inferior gira en un ángulo aleatorio con respecto a la rebanada superior. El resultado intrigó al grupo del MIT.

“Estábamos tratando de obtener un imán más fuerte alineando ambos cortes”, dice Jarillo-Herrero. “En cambio, encontramos algo completamente diferente”.

En su estudio actual, el equipo fabricó un sándwich de materiales cuidadosamente angulados y apilados. El "queso" del sándwich consistía en grafeno de ángulo mágico: dos láminas de grafeno, la parte superior giraba ligeramente en el ángulo "mágico" de 1,1 grados con respecto a la lámina inferior. Sobre esta estructura, colocaron una capa de nitruro de boro, exactamente alineada con la hoja de grafeno superior. Finalmente, colocaron una segunda capa de nitruro de boro debajo de toda la estructura y la desfasaron 30 grados con respecto a la capa superior de nitruro de boro.

Luego, el equipo midió la resistencia eléctrica de las capas de grafeno mientras aplicaban un voltaje de puerta. Descubrieron, como otros lo han hecho, que el grafeno bicapa retorcido cambiaba de estado electrónico, cambiando entre estados aislantes, conductores y superconductores a ciertos voltajes conocidos.

Lo que el grupo no esperaba era que cada estado electrónico persistiera en lugar de desaparecer inmediatamente una vez que se eliminó el voltaje, una propiedad conocida como biestabilidad. Descubrieron que, a un voltaje particular, las capas de grafeno se convertían en un superconductor y seguían siendo superconductores, incluso cuando los investigadores eliminaron este voltaje.  

Este efecto biestable sugiere que la superconductividad se puede activar y desactivar con pulsos eléctricos cortos en lugar de un campo eléctrico continuo, similar a encender un interruptor de luz. No está claro qué permite esta superconductividad conmutable, aunque los investigadores sospechan que tiene algo que ver con la alineación especial del grafeno trenzado con ambas capas de nitruro de boro, lo que permite una respuesta similar a la ferroeléctrica del sistema. (Los materiales ferroeléctricos muestran biestabilidad en sus propiedades eléctricas).

“Al prestar atención al apilamiento, podría agregar otra perilla de ajuste a la creciente complejidad de los dispositivos superconductores de ángulo mágico”, dice Klein. 

Por ahora, el equipo ve el nuevo interruptor superconductor como otra herramienta que los investigadores pueden considerar a medida que desarrollan materiales para una electrónica más rápida, más pequeña y más eficiente energéticamente.

“La gente está tratando de construir dispositivos electrónicos que hagan cálculos inspirados en el cerebro”, dice Jarillo-Herrero. “En el cerebro tenemos neuronas que, más allá de cierto umbral, se activan. De manera similar, ahora hemos encontrado una manera para que el grafeno de ángulo mágico cambie la superconductividad abruptamente, más allá de un cierto umbral. Esta es una propiedad clave en la realización de la computación neuromórfica”.  

Esta investigación fue apoyada en parte por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de los EE. UU., la Oficina de Investigación del Ejército de los EE. UU. y la Fundación Gordon y Betty Moore.

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