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2021-02-03Físicos crean superconductividad sintonizable en un "nanosandwich" de grafeno retorcido

MIT |La estructura puede revelar las condiciones necesarias para la superconductividad a alta temperatura.

Cuando dos láminas de grafeno se apilan una encima de la otra en el ángulo correcto, la estructura de capas se transforma en un superconductor no convencional, permitiendo que las corrientes eléctricas pasen a través de ellas sin resistencia ni desperdicio de energía.

Esta transformación de "ángulo mágico" en el grafeno bicapa se observó por primera vez en 2018 en el grupo de Pablo Jarillo-Herrero, el profesor de física Cecil e Ida Green del MIT. Desde entonces, los científicos han buscado otros materiales que puedan retorcerse de manera similar en la superconductividad, en el campo emergente de la "twistrónica." Hasta ahora, ningún otro material retorcido había mostrado superconductividad, aparte del grafeno bicapa retorcido original.

En un artículo que aparece hoy en Nature, Jarillo-Herrero y su grupo informan de la observación de la superconductividad en un sándwich de tres láminas de grafeno, cuya capa central está retorcida en un nuevo ángulo con respecto a las capas exteriores. Esta nueva configuración tricapa presenta una superconductividad más robusta que su homóloga bicapa.

Los investigadores también pueden ajustar la superconductividad de la estructura aplicando y variando la intensidad de un campo eléctrico externo. Al ajustar la estructura tricapa, los investigadores pudieron producir una superconductividad acoplada ultrafuerte, un tipo exótico de comportamiento eléctrico que rara vez se ha visto en ningún otro material.

"No estaba claro si el grafeno bicapa de ángulo mágico era algo excepcional, pero ahora sabemos que no está solo; tiene un primo en el caso de la tricapa", dice Jarillo-Herrero. "El descubrimiento de este superconductor hipertunable amplía el campo de la twistrónica en direcciones totalmente nuevas, con potenciales aplicaciones en tecnologías de información y detección cuántica".

Sus coautores son el autor principal, Jeong Min Park, y Yuan Cao, del MIT, y Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi, del Instituto Nacional de Ciencias de los Materiales de Japón.

Una nueva superfamilia

Poco después de que Jarillo-Herrero y sus colegas descubrieran que la superconductividad podía generarse en el grafeno bicapa retorcido, los teóricos propusieron que el mismo fenómeno podría observarse en tres o más capas de grafeno.

Una lámina de grafeno es una capa atómica de grafito, formada en su totalidad por átomos de carbono dispuestos en un entramado de nido de abeja, como el más fino y resistente alambre de gallinero. Los teóricos propusieron que si se apilaban tres hojas de grafeno como un sándwich, con la capa central girada 1,56 grados respecto a las capas exteriores, la configuración retorcida crearía una especie de simetría que animaría a los electrones del material a emparejarse y fluir sin resistencia, el sello de la superconductividad.

"Pensamos, por qué no, vamos a intentarlo y a probar esta idea", dice Jarillo-Herrero.

Park y Cao diseñaron estructuras de grafeno tricapa cortando con cuidado una sola hoja de grafeno en tres secciones y apilando cada sección una encima de la otra en los ángulos precisos predichos por los teóricos.

Así crearon varias estructuras de tres capas, cada una de las cuales mide unos pocos micrómetros (aproximadamente 1/100 del diámetro de un cabello humano) y tres átomos de altura.

"Nuestra estructura es un nanosandwich", dice Jarillo-Herrero.

A continuación, el equipo colocó electrodos en los extremos de las estructuras y las hizo pasar por una corriente eléctrica mientras medía la cantidad de energía perdida o disipada en el material.

"Vimos que no se disipaba energía, lo que significa que era un superconductor", dice Jarillo-Herrero. "Tenemos que dar crédito a los teóricos: acertaron con el ángulo".

Añade que la causa exacta de la superconductividad de la estructura -sea debida a su simetría, como proponían los teóricos, o no- está por ver, y es algo que los investigadores planean probar en futuros experimentos.

"Por el momento tenemos una correlación, no una causalidad", dice. "Ahora, al menos, tenemos un camino para explorar posiblemente una gran familia de nuevos superconductores basados en esta idea de simetría".

"La mayor explosión"

Al explorar su nueva estructura tricapa, el equipo descubrió que podía controlar su superconductividad de dos maneras. Con su anterior diseño de bicapa, los investigadores podían ajustar su superconductividad aplicando un voltaje de puerta externo para cambiar el número de electrones que fluyen a través del material. A medida que subían y bajaban el voltaje de la puerta, medían la temperatura crítica a la que el material dejaba de disipar energía y se convertía en superconductor. De este modo, el equipo pudo activar y desactivar la superconductividad del grafeno bicapa, de forma similar a un transistor.

El equipo utilizó el mismo método para ajustar el grafeno de tres capas. También descubrieron una segunda forma de controlar la superconductividad del material que no ha sido posible en el grafeno bicapa ni en otras estructuras retorcidas. Mediante el uso de un electrodo adicional, los investigadores pudieron aplicar un campo eléctrico para cambiar la distribución de electrones entre las tres capas de la estructura, sin cambiar la densidad general de electrones de la estructura.

"Estos dos mandos independientes nos proporcionan ahora mucha información sobre las condiciones en las que aparece la superconductividad, lo que puede aportar información sobre la física clave que resulta crítica para la formación de un estado superconductor tan inusual", afirma Park.

Utilizando ambos métodos para ajustar la estructura de la trilámina, el equipo observó la superconductividad en diversas condiciones, incluida una temperatura crítica relativamente alta de 3 kelvins, incluso cuando el material tenía una baja densidad de electrones. En comparación, el aluminio, que se está explorando como superconductor para la informática cuántica, tiene una densidad de electrones mucho mayor y sólo se vuelve superconductor a aproximadamente 1 kelvin.

"Descubrimos que el grafeno de ángulo mágico puede ser el superconductor acoplado más fuerte, lo que significa que es superconductor a una temperatura relativamente alta, dado el escaso número de electrones que puede tener", afirma Jarillo-Herrero. "Ofrece el mayor rendimiento por el dinero".

"El trabajo supone un significativo paso adelante en la complejidad estructural de un sistema twistrónico que puede reproducirse fielmente en varias muestras", dice David Goldhaber-Gordon, profesor de física de la Universidad de Stanford que no participó en el estudio. "Esa complejidad estructural no se persigue sólo por sí misma, sino que pretende hacer sintonizable el efecto de las interacciones electrónicas. Las aplicaciones de estas sofisticadas estructuras multicapa serán probablemente en la ciencia de la información cuántica, donde el control exquisito de la estructura electrónica será importante. ”

Los investigadores planean fabricar estructuras de grafeno retorcido con más de tres capas para ver si tales configuraciones, con mayores densidades de electrones, pueden mostrar superconductividad a temperaturas más altas, incluso acercándose a la temperatura ambiente.

"Nuestro principal objetivo es averiguar la naturaleza fundamental de lo que subyace a la superconductividad fuertemente acoplada", afirma Park. "El grafeno tricapa no sólo es el superconductor más potente que se ha encontrado, sino también el más sintonizable. Con esa capacidad de ajuste podemos explorar realmente la superconductividad, en cualquier parte del espacio de fase".

Esta investigación ha sido financiada, en parte, por el Departamento de Energía, la National Science Foundation, la Gordon and Betty Moore Foundation y la Ramon Areces Foundation.

MIT
Autor
MIT

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