El grafeno ha sido anunciado como un material maravilloso. No solo es el material más fuerte y más delgado jamás descubierto, sino que su excepcional capacidad para conducir calor y electricidad allana el camino para la innovación en áreas que van desde la electrónica a la energía y la medicina.

Ahora, un equipo dirigido por la Universidad de Columbia ha desarrollado un nuevo método para ajustar con precisión las capas adyacentes de grafeno (láminas de láminas de átomos de carbono con forma de panal de encaje) para inducir la superconductividad. Su investigación proporciona nuevos conocimientos sobre la física subyacente en las características intrigantes de este material bidimensional.

El estudio del equipo se publica en la edición de hoy 24 de enero de 2019 en Science.

Nuestro trabajo demuestra nuevas formas de inducir la superconductividad en el grafeno de dos capas retorcidas, en particular, que se logra al aplicar presión”, dijo Cory Dean , profesor asistente de física en Columbia y el investigador principal del estudio. “También proporciona una primera confirmación crítica de los resultados del MIT del año pasado, que el grafeno bicapa puede exhibir propiedades electrónicas cuando se lo tuerce en un ángulo, y aumenta nuestra comprensión del sistema, que es extremadamente importante para este nuevo campo de investigación“.

En marzo de 2018, los investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts informaron sobre un descubrimiento revolucionario de que dos capas de grafeno pueden conducir electricidad sin resistencia cuando el ángulo de giro entre ellas es de 1.1 grados, denominado “ángulo mágico”.

Pero golpear ese ángulo mágico ha resultado difícil. “Las capas deben retorcerse dentro de aproximadamente una décima de grado alrededor de 1.1, lo cual es un desafío experimental”, dijo Dean. “Encontramos que errores muy pequeños en la alineación podrían dar resultados completamente diferentes“.

Así que Dean y sus colegas, que incluyen científicos del Instituto Nacional para la Ciencia de los Materiales y la Universidad de California en Santa Bárbara, se dispusieron a probar si se podrían lograr condiciones de ángulo mágico en rotaciones mayores.

En lugar de tratar de controlar con precisión el ángulo, preguntamos si podríamos variar el espaciado entre las capas”, dijo Matthew Yankowitz, científico investigador postdoctoral en el departamento de física de Columbia y primer autor del estudio.De esta manera, cualquier ángulo de giro podría, en principio, convertirse en un ángulo mágico“.

Estudiaron una muestra con un ángulo de giro de 1,3 grados, solo un poco más grande que el ángulo mágico, pero lo suficientemente lejos para excluir la superconductividad. La aplicación de presión transformó el material de un metal en un aislante, en el que la electricidad no puede fluir, o en un superconductor, donde la corriente eléctrica puede pasar sin resistencia, según la cantidad de electrones en el material.

Notablemente, al aplicar una presión de más de 10,000 atmósferas, observamos el surgimiento de las fases de aislamiento y superconductores“, dijo Dean. Además, la superconductividad se desarrolla a la temperatura más alta observada hasta ahora en el grafeno, poco más de 3 grados por encima del cero absoluto “.

Para alcanzar las altas presiones necesarias para inducir la superconductividad, el equipo trabajó en estrecha colaboración con las instalaciones para usuarios del National High Magnetic Field, conocido como Maglab, en Tallahassee, Florida. “Este esfuerzo fue un gran desafío técnico”, dice Dean. “Después de fabricar uno de los dispositivos más exclusivos con los que hemos trabajado, tuvimos que combinar temperaturas criogénicas, campos magnéticos altos y presión alta, todo al mismo tiempo que medíamos la respuesta eléctrica. “Reunir todo esto fue una tarea desalentadora y nuestra capacidad para hacerlo funcionar es realmente un tributo a la experiencia fantástica en el Maglab“.

Los investigadores creen que podría ser posible mejorar la temperatura crítica de la superconductividad aún a presiones aún más altas. El objetivo final es que un día se desarrolle un superconductor que pueda funcionar en condiciones de temperatura ambiente, y aunque esto puede resultar un desafío en el grafeno, podría servir como una hoja de ruta para lograr este objetivo en otros materiales.

Andrea Young, profesora asistente de física en UC Santa Barbara, colaboradora en el estudio, dijo que el trabajo demuestra claramente que apretar las capas tiene el mismo efecto que torcerlas y ofrece un paradigma alternativo para manipular las propiedades electrónicas en el grafeno.

Nuestros hallazgos relajan significativamente las restricciones que hacen que sea difícil estudiar el sistema y nos brinda nuevos mandos para controlarlo“, dijo Young.

Dean y Young ahora están retorciendo y exprimiendo una variedad de materiales delgados con la esperanza de encontrar superconductividad emergente en otros sistemas bidimensionales.

Comprender ‘por qué’ todo esto está sucediendo es un desafío formidable pero crítico para finalmente aprovechar el poder de este material, y nuestro trabajo comienza a desentrañar el misterio”, dijo Dean.

—Por Carla Cantor

El estudio, “Ajuste de la superconductividad en el grafeno de dos capas retorcidas“, fue apoyado por la Oficina de Investigación del Ejército, el Departamento de Energía, la Fundación David and Lucile Packard y la Fundación Nacional de Ciencia.

Para consultas de los medios, comuníquese con Carla Cantor al 212-854-5276 o carla.cantor@columbia.edu.