Los físicos descubren que las láminas desalineadas del material de carbono conduzcan la electricidad sin resistencia.

Un sándwich de dos capas de grafeno puede conducir electrones sin resistencia si están torcidos en un “ángulo mágico”, han descubierto los físicos. El hallazgo podría resultar ser un paso significativo en la búsqueda de superconductores a temperatura ambiente durante décadas.

La mayoría de los superconductores trabajan solo a temperaturas cercanas al cero absoluto. Incluso a los superconductores de “alta temperatura” se les llama así solo en un sentido relativo: la temperatura más alta a la que conducen la electricidad sin resistencia es de alrededor de -140 ºC. Un material que muestra la propiedad a temperatura ambiente, eliminando la necesidad de un enfriamiento costoso, podría revolucionar la transmisión de energía, los escáneres médicos y el transporte.

Los físicos ahora informan que la disposición de dos capas de grafeno de un átomo de espesor para que el patrón de sus átomos de carbono se compense con un ángulo de 1.1º hace que el material sea un superconductor. Y aunque el sistema aún necesitaba ser enfriado a 1.7 grados por encima del cero absoluto, los resultados sugieren que puede conducir la electricidad de manera muy similar a los superconductores de alta temperatura conocidos, y eso ha emocionado a los físicos. Los hallazgos se publican en dos artículos de Nature (1 – 2).

Si se confirma, este descubrimiento podría ser “muy importante” para la comprensión de la superconductividad de alta temperatura, dice Elena Bascones, física del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid. “Podemos esperar un frenesí de actividad experimental en los próximos meses para completar las partes faltantes de la imagen”, dice Robert Laughlin, físico y premio Nobel de la Universidad de Stanford en California.

Los superconductores se dividen en dos tipos:

Convencional, en el que la actividad puede explicarse por la teoría general de la superconductividad, y no convencional, donde no puede. Los últimos estudios sugieren que el comportamiento superconductor del grafeno es poco convencional, y tiene paralelos con la actividad observada en otros superconductores no convencionales llamados cupratos. Se sabe que estos óxidos de cobre complejos conducen la electricidad hasta 133 grados por encima del cero absoluto. Y aunque los físicos se han centrado en los cupratos durante tres décadas en su búsqueda de superconductores a temperatura ambiente, el mecanismo subyacente los ha desconcertado.

A diferencia de los cupratos, el sistema de grafeno apilado es relativamente simple y el material se comprende bien. “La sorprendente implicación es que la superconductividad de cuprate fue algo simple todo el tiempo. Fue difícil calcularlo correctamente ”, dice Laughlin.

Truco de magia

El grafeno ya tiene propiedades impresionantes : sus láminas, hechas de capas individuales de átomos de carbono dispuestas en hexágonos, son más fuertes que el acero y conducen la electricidad mejor que el cobre. Ha mostrado superconductividad antes de 3 , pero ocurrió cuando estuvo en contacto con otros materiales, y el comportamiento podría explicarse por la superconductividad convencional.

El físico Pablo Jarillo-Herrero en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) en Cambridge y su equipo no estaban buscando superconductividad cuando establecieron su experimento. En su lugar, estaban explorando cómo la orientación apodada el ángulo mágico podría afectar al grafeno. Los teóricos han predicho que compensar los átomos entre capas de materiales 2D en este ángulo particular podría inducir a los electrones que atraviesan las láminas a interactuar de formas interesantes, aunque no sabían exactamente cómo.

El equipo inmediatamente vio un comportamiento inesperado en su configuración de dos hojas. Primero, las mediciones de la conductividad del grafeno y la densidad de las partículas que llevan carga en su interior sugirieron que la construcción se había convertido en un aislante Mott 2 , un material que tiene todos los ingredientes para conducir electrones, pero en la que las interacciones entre las partículas impiden que fluyan. A continuación, los investigadores aplicaron un pequeño campo eléctrico para alimentar solo unos pocos portadores de carga extra al sistema, y ​​se convirtió en un superconductor 1 . El hallazgo se mantuvo en experimento tras experimento, dice Jarillo-Herrero. “Hemos producido todo esto en diferentes dispositivos y lo hemos medido con colaboradores. Esto es algo en lo que estamos muy seguros “, dice.

Un material compuesto por dos capas de grafeno, torcido en un ángulo de 1.1º (ilustrado, a la derecha), muestra propiedades superconductoras. Cortesía de los investigadores.
Un material compuesto por dos capas de grafeno, torcido en un ángulo de 1.1º (ilustrado, a la derecha), muestra propiedades superconductoras. Cortesía de los investigadores.

La existencia de un estado de aislamiento tan cerca de la superconductividad es un sello distintivo de los superconductores no convencionales, como los cupratos. Cuando los investigadores trazaron diagramas de fase que representaban la densidad electrónica del material en función de su temperatura, observaron patrones muy similares a los observados para los cupratos. Eso proporciona evidencia adicional de que los materiales pueden compartir un mecanismo superconductor, dice Jarillo-Herrero.

El aumento de la temperatura a la que se produce la superconductividad podría tener aplicaciones tecnológicas fenomenales“.

Finalmente, aunque el grafeno muestra la superconductividad a una temperatura muy baja, lo hace con solo una décima parte de la densidad electrónica de los superconductores convencionales que obtienen la capacidad a la misma temperatura. En los superconductores convencionales, se cree que el fenómeno surge cuando las vibraciones permiten que los electrones formen pares, lo que estabiliza su trayectoria y les permite fluir sin resistencia. Pero con tan pocos electrones disponibles en el grafeno, el hecho de que puedan emparejarse sugiere que la interacción en juego en este sistema debería ser mucho más fuerte que lo que sucede en los superconductores convencionales.

Confusión de conductividad

Los físicos no están de acuerdo sobre cómo los electrones pueden interactuar en superconductores no convencionales. “Uno de los cuellos de botella de la superconductividad de alta temperatura ha sido el hecho de que no entendemos, incluso ahora, qué es lo que realmente une los electrones en pares“, dice Robinson.

Pero los dispositivos basados ​​en grafeno serán más fáciles de estudiar que los cupratos, lo que los convierte en plataformas útiles para explorar la superconductividad, dice Bascones. Por ejemplo, para explorar la raíz de la superconductividad en los cupratos, los físicos a menudo necesitan someter los materiales a campos magnéticos extremos. Y ‘sintonizarlos’ para explorar sus diferentes comportamientos significa crecer y estudiar resmas de diferentes muestras; Con el grafeno, los físicos pueden lograr los mismos resultados simplemente ajustando un campo eléctrico.

Kamran Behnia, físico del Instituto Superior de Física y Química Industrial de París, todavía no está convencido de que el equipo del MIT pueda afirmar definitivamente que haya visto el estado aislante de Mott, aunque dice que los hallazgos sugieren que el grafeno es un superconductor. potencialmente inusual.

Los físicos aún no pueden afirmar con certeza que el mecanismo superconductor en los dos materiales es el mismo. Y Laughlin agrega que aún no está claro que todo el comportamiento observado en Cuprates esté ocurriendo en el grafeno. “Pero suficientes de los comportamientos están presentes en estos nuevos experimentos para dar lugar a una celebración cautelosa”, dice.

Los físicos han estado “tropezando en la oscuridad durante 30 años” tratando de entender los cupratos, dice Laughlin. “Muchos de nosotros pensamos que una luz acaba de encenderse”.

Via Nature.com