La superposición de dos hojas de grafeno muestra un patrón característico

Era lo más cerca que el físico Pablo Jarillo-Herrero había llegado a ser una estrella de rock. Cuando se levantó en marzo para dar una charla en Los Ángeles, California, vio a los científicos metidos en cada rincón de la sala de reuniones. Los organizadores de la conferencia de la Sociedad Física Americana tuvieron que transmitir la sesión a un gran espacio adyacente, donde se había reunido una multitud que solo estaba de pie. “Sabía que teníamos algo muy importante”, dice, “pero eso fue bastante loco”.

La multitud de físicos había llegado a escuchar cómo el equipo de Jarillo-Herrero en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) en Cambridge había descubierto un comportamiento exótico en capas de carbono de un solo átomo de espesor, conocido como grafeno. Los investigadores ya sabían que este maravilloso material puede conducir electricidad a una velocidad ultra alta. Pero el equipo del MIT había dado un gran salto al convertir el grafeno en un superconductor: un material que permite que la electricidad fluya sin resistencia.

Lograron esa hazaña colocando una hoja de grafeno sobre otra, girando la otra hoja a una orientación especial, o ‘ángulo mágico’, y enfriando el conjunto a una fracción de un grado por encima del cero absoluto. Ese giro cambió radicalmente las propiedades de la bicapa, convirtiéndola primero en un aislante y luego, con la aplicación de un campo eléctrico más fuerte, en un superconductor.

El grafeno había sido engañado previamente con este comportamiento al combinarlo con materiales que ya se sabía que eran superconductores, o mediante su empalme químico con otros elementos. Esta capacidad recién descubierta para inducir las mismas propiedades con solo apretar un interruptor hizo girar las cabezas. “¿Ahora colocas dos capas atómicas no superconductoras de una manera determinada y aparece la superconductividad? Creo que eso tomó a todos por sorpresa , dice ChunNing Jeanie Lau, física de la Universidad Estatal de Ohio en Columbus.

Los físicos en la reunión estaban aún más emocionados por la forma en que una bicapa de grafeno parece convertirse en un superconductor. Hubo indicios de que sus propiedades notables surgieron de fuertes interacciones o “correlaciones” entre electrones, un comportamiento que se cree que subyace a estados extraños de la materia en materiales más complejos. Algunos de esos materiales, es decir, aquellos que superconducen a temperaturas relativamente altas (aunque todavía muy por debajo de 0 ° C), han desconcertado a los físicos durante más de 30 años. Si la superconductividad en el grafeno simple es causada por el mismo mecanismo, el material podría ser la piedra de Rosetta para comprender el fenómeno. Eso, a su vez, podría ayudar a los investigadores a diseñar materiales que superconducen cerca de la temperatura ambiente, lo que revolucionaría muchas áreas de la tecnología moderna, incluido el transporte y la computación.

Inmediatamente pude ver que casi todos los que conozco estaban realmente emocionados“, dice Lau. Pero mientras ella escuchaba con asombro la conversación, otros no podían esperar. Andrea Young, un físico de materia condensada en la Universidad de California, Santa Bárbara, había abandonado la reunión para regresar a su laboratorio. Su equipo era uno de los pocos en todo el mundo que ya estaba explorando el grafeno retorcido, en busca de indicios de comportamientos extraños recientemente predichos. Joven escaneado los papeles de la naturaleza 1, 2 del grupo MIT, que se publicaron dos días antes de la charla, y encontraron lo que necesitaba saber para replicar el experimento. Eso resultó ser más difícil de lo previsto. Pero en agosto, después de unir fuerzas con un grupo en la Universidad de Columbia en la ciudad de Nueva York liderado por el físico y amigo Cory Dean, él y su equipo tuvieron éxito 3 . “Nosotros mismos lo habíamos reproducido muchas veces“, dice Jarillo-Herrero. Pero tener la confirmación de un segundo grupo, dice, “fue tremendamente tranquilizador”.

Aunque la colaboración de Young y Dean fue la primera en dar a conocer los resultados de su replicación, la actividad detrás de escena es frenética, dice Lau. “No he visto tanta emoción en el campo del grafeno desde su descubrimiento inicial“, dice ella. Otros tres equipos le dijeron a la Naturaleza.que han replicado algunos o todos los hallazgos del MIT, aunque algunos mantienen sus tarjetas cerca de sus cofres mientras experimentan con otros materiales 2D y modifican las capas de nuevas formas, buscando otras muestras de fuertes interacciones de electrones. “Todos están tomando su cosa favorita y retorciéndola con su otra cosa favorita“, dice Young. Mientras tanto, los teóricos que intentan explicar el comportamiento han publicado más de 100 artículos sobre el tema en el servidor de preimpresión arXiv. Pero determinar si el mismo mecanismo que subyace a la superconductividad en superconductores de alta temperatura está en juego en el grafeno retorcido requerirá mucha más información, dice Lau. “Hasta ahora, aparte del hecho de que este es un sistema realmente interesante“, dice, “no creo que los teóricos estén de acuerdo en nada“.

Encontrando la magia

La audiencia en la charla de Jarillo-Herrero en Los Ángeles estaba emocionada pero también escéptica. Los delegados de la conferencia se burlaron de que la última vez que alguien había presentado algo tan genial, fue Jan Hendrik Schön, cuya serie de resultados deslumbrantes sobre la superconductividad y otros fenómenos resultaron ser fraudulentos. “Estaban bromeando”, dice Jarillo-Herrero, “pero dijeron que tendrían que verlo reproducido antes de creerlo”.

Aunque el comportamiento superconductor del grafeno torcido fue una sorpresa, la idea de que algo intrigante pudiera suceder no lo era. Superpuestas en ángulos de más de unos pocos grados, dos hojas de grafeno generalmente se comportan de forma independiente. Pero en ángulos más pequeños, la desalineación de las dos celosías puede crear una “superlattice” en la que los electrones pueden moverse entre capas. Los teóricos habían predicho 4 , 5que en pequeños giros específicos (ángulos mágicos), la estructura subyacente de la superlatticia cambiaría drásticamente el comportamiento de los electrones, reduciéndolos y permitiéndoles interactuar de manera que cambien las propiedades electrónicas del material (consulte “Ángulo mágico”). En teoría, todo tipo de material 2D en capas, cuando está torcido hasta el ángulo apropiado, puede formar tales superlattices. Pero nadie sabía cómo podrían cambiar las propiedades de un material, o en qué ángulo podría ocurrir tal cambio.

En 2010, Eva Andrei, una física de la Universidad de Rutgers – New Brunswick en Nueva Jersey, y sus colegas vieron indicios de comportamiento extraño en el grafeno 6 alrededor del mismo ángulo mágico observado más tarde por Jarillo-Herrero y su equipo, pero muchos dudaron si el La teoría funcionó en absoluto. “No lo creí”, dice Philip Kim, físico experimental de la Universidad de Harvard en Cambridge, Massachusetts. “Pero admito que estaba completamente equivocado”, dice.

Cuando Young regresó a su laboratorio en marzo, pensó que reproducir los resultados del grupo MIT parecía trivial, dice. El equipo de Young pudo alcanzar las muy bajas temperaturas necesarias, y los investigadores ya eran expertos en preparar muestras muy limpias. Pero persuadir a las hojas de grafeno para que se alineen justo en el ángulo correcto (un giro de alrededor de 1.1 °) resultó ser una lucha.

Alcanzar el ángulo es difícil, entre otras cosas porque cambia sutilmente de una muestra a otra, según cómo se fabrique cada una. “Tienes que hacer un poco de búsqueda”, dice Andrei. Además, debido a que la estructura del grafeno torcido está tan cerca de la del grafito, en la cual las capas sucesivas están todas orientadas en la misma dirección, el menor calor o tensión puede hacer que las capas queden alineadas. “No quiere quedarse donde lo pones”, dice Young.

El laboratorio de Dean, que también estaba trabajando en el problema, encontró una solución: cuando el equipo superó el giro en varios dispositivos, al menos algunas muestras se asentaron en el ángulo mágico cuando giraron hacia la alineación. Pero hacer que esas muestras fueran superconductor requería equipo que pudiera alcanzar una fracción de un grado por encima del cero absoluto, de lo que carecía su laboratorio. Trabajando con el equipo de Young, los investigadores pronto midieron varios dispositivos en los que la resistencia se disparó, característica de un aislante, pero se redujo a cero, como en los superconductores, cuando se alimentaron de más electrones aplicando un campo eléctrico.

Es el único otro equipo aparte de Jarillo-Herrero en publicar sus hallazgos hasta el momento, pero ese no será el caso por mucho tiempo, dice Andrei. “Todos los que conozco están trabajando en esto”, dice ella.

Algo poco convencional

Una de las razones del intenso interés en el grafeno retorcido son las marcadas similitudes entre su comportamiento y el de los superconductores no convencionales. En muchos de estos, la corriente eléctrica funciona sin resistencia a temperaturas muy por encima de lo que generalmente permite la teoría de la superconductividad convencional. Pero el hecho de que eso suceda sigue siendo un misterio: uno que, cuando se resuelve, podría permitir a los físicos diseñar materiales que conducen la electricidad con resistencia cero cerca de la temperatura ambiente. Lograr eso podría permitir una transmisión de electricidad radicalmente más eficiente y, al reducir los costos de energía, permitir que los superconductores encuentren usos en una gran cantidad de nuevas tecnologías.

Todas las formas de superconductividad se basan en el emparejamiento de los electrones en formas que les permiten viajar sin resistencia. En los superconductores convencionales, el tipo que alimenta a los imanes en las máquinas de imágenes de resonancia magnética (IRM), los electrones se emparejan solo de manera indirecta, como un subproducto de la interacción entre las partículas y las vibraciones en su red atómica. Los electrones ignoran a sus compañeros, pero terminan lanzados juntos de una manera que les ayuda a navegar sin resistencia a temperaturas de algunos grados por encima del cero absoluto. Pero en los superconductores no convencionales, muchos de los cuales llevan la corriente con resistencia cero a cerca de 140 kelvin, los electrones parecen emparejarse a través de una interacción directa y mucho más fuerte.

Los experimentos MIT mostraron indicios de esta superconductividad no convencional. Aunque el grafeno de doble capa retorcida se volvió superconductor solo a temperaturas extremadamente bajas, lo hizo con muy pocos electrones que se movían libremente. Eso sugiere que, a diferencia de un superconductor convencional, cualquier fuerza que atraiga a los electrones debe ser relativamente fuerte. La proximidad del estado superconductor a uno aislante también refleja lo que se ve en un grupo de superconductores de alta temperatura hechos de cerámica, llamados cupratos. En esos sistemas, el estado de resistencia cero a menudo limita con un aislador ‘Mott’, en el que no fluye corriente, a pesar de la presencia de electrones libres, porque la repulsión mutua entre las partículas las fija en su lugar.

Si los mismos mecanismos están en juego en el grafeno de dos capas retorcidas, podría ser una bendición para los teóricos. Un problema con los cupratos, como el óxido de cobre y itrio bario, es que son una mezcla de elementos que resulta difícil de modelar. “La esperanza es encontrar la misma fenomenología pero en un sistema mucho más simple, uno en el que los teóricos puedan apretar los dientes y hacer algún progreso”, dice Andrei.

El grafeno es también el sueño de un experimentalista. Estudiar el cambio a la superconductividad significa medir lo que sucede a medida que se agregan más electrones al material. En Cuprates, esto se hace insertando átomos de un elemento diferente en el material, un proceso conocido como dopaje, lo que significa hacer una muestra completamente nueva para cada punto en un gráfico. Sin embargo, en el grafeno torcido, los investigadores pueden hacer el cambio simplemente girando una perilla en una fuente de voltaje, dice Andrei. “Este es un gran beneficio”.

El físico Pablo Jarillo-Herrero (a la izquierda) con tres estudiantes graduados en su laboratorio en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. Crédito: Juliette Halsey para la naturaleza

Nadie sabe aún si el grafeno torcido está actuando realmente como un superconductor no convencional, o incluso si el comportamiento surge exactamente debido a las condiciones descritas por la teoría del ángulo mágico. La avalancha de artículos teóricos publicados desde marzo cubre todas las posibilidades. Debido a que los sistemas correlacionados, como los que se ven en el grafeno torcido, son demasiado complejos para calcularlos en su totalidad, los teóricos utilizan aproximaciones que difieren de un modelo a otro. Eso hace que las teorías sean lo suficientemente flexibles para que los físicos a veces las modifiquen para que se ajusten a los nuevos datos, dice Young. Pocas teorías explican los hallazgos en su totalidad y muchas no incluyen predicciones que permitirían a los experimentadores diferenciar diferentes escenarios, agrega Jarillo-Herrero. Para “un experimentalista como yo, todos parecen igualmente sensatos”, dice. “Estoy un poco desorientado en la tierra teórica”.

Un dispositivo del laboratorio de Pablo Jarillo-Herrero que fue construido para probar la física del grafeno. Crédito: Jarillo-Herrero Lab.

Hasta el momento, existe evidencia de superconductividad no convencional y convencional en el grafeno. Los datos aún no publicados del grupo MIT sugieren que otros fenómenos observados en superconductores no convencionales también están presentes en el material, dice Jarillo-Herrero. Por un lado, su equipo ha observado que la fuerza del campo magnético necesaria para eliminar la superconductividad de una muestra, a través de un proceso conocido como el efecto Meissner, varía con la dirección (debería ser uniforme en los superconductores convencionales).

Enfoque cauteloso

Pero los resultados de los grupos de Young y Dean sugieren que se necesita más cautela. Sus muestras son más uniformes que las del grupo MIT, dice Young, y muestran algunos resultados contrastantes. En particular, la superconductividad aparece cuando el número de electrones se reduce pero no cuando se aumenta, una asimetría que posiblemente sea más consistente con un superconductor convencional. Y, a diferencia de los cupratos, que pueden ser aislantes a temperaturas más altas que aquellas a las que superconducen, en el grafeno torcido los dos estados parecen estar presentes en un rango de temperatura similar, agrega. Pruebas adicionales, como ver si el estado superconductor todavía ocurre cuando los experimentadores restringen las vibraciones en la muestra pero aún permiten interacciones de electrones, podrían ayudar a aclarar la situación, dice Young. El grupo de Andrei también está trabajando en la obtención de imágenes del material a nivel atómico, para revelar los efectos que podrían eliminarse al estudiar la muestra en su totalidad. Andrei dice que los datos preliminares de su equipo han revelado nuevos fenómenos que podrían ayudar a dar sentido a la física subyacente, aunque hasta ahora no está dispuesta a revelar nada más.

Comprender los resultados de los experimentos, junto con el diseño de configuraciones que funcionan bien en materiales 2D, puede ser un desafío. En este delicado sistema, Young dice que incluso el material utilizado para hacer los electrodos puede interferir con los resultados. “Debes tener cuidado al interpretar lo que ves, porque no sabes qué es una propiedad intrínseca del sistema y qué efecto tiene la configuración”. Young dice que el mecanismo detrás de la superconductividad bien podría ser convencional. , pero es emocionante incluso si no ayuda a explicar la superconductividad de alta temperatura. “Este ya es uno de los mejores resultados en este campo en los últimos diez años”, dice.

Independientemente de si se asemeja a formas exóticas de superconductividad, los investigadores dicen que el sistema es fascinante porque es un ejemplo raro de cambio dramático que proviene de un pequeño cambio físico. “Ese solo hecho es bastante sorprendente y notable”, dice Dean. “¿Qué hay en este sistema que da lugar a la superconductividad que está ausente lejos de este ángulo de giro preciso?”

Independientemente de lo que ocurra en el estado superconductor, los físicos están de acuerdo en que el estado de aislamiento que lo acompaña es casi imposible de explicar sin algún tipo de interacción entre los electrones. Como un metal, el grafeno es generalmente conductor, con electrones libres que interactúan solo con la red atómica y no entre sí. De alguna manera, a pesar de la presencia de estos electrones libres, que están ausentes en los aisladores convencionales, el grafeno de dos capas puede bloquear el flujo de electricidad, lo que sugiere que las interacciones están en juego.

Esto es emocionante porque las interacciones electrónicas subyacen en muchos de los estados extraños y maravillosos de la materia que se han descubierto en las últimas décadas. Estos incluyen los líquidos de espín cuánticos (estados extraños y desordenados en los que los campos magnéticos de los electrones nunca se alinean) y los estados Hall cuánticos fraccionados, fases de la materia definidas por la topología, un tipo de propiedad unificadora previamente desconocidaque podría ser aprovechado para construir computadoras cuánticas extremadamente robustas. “Comprender los sistemas fuertemente correlacionados es donde muchas de las grandes preguntas, y quizás también las grandes oportunidades, se encuentran en la física de la materia condensada en este momento”, dice Young. Muchos de estos estados emergen bajo condiciones que, al menos a los electrones, se parecen a los que surgen en el grafeno en el ángulo mágico. Esto plantea la posibilidad de que otros estados intrigantes puedan surgir de las bicapas retorcidas, dice Rebeca Ribeiro-Palau, una física en el Centro de Nanociencia y Nanotecnología en Palaiseau, Francia, y anteriormente un postdoctorado en el laboratorio de Dean. “Para mí, la presencia de un estado superconductor es un síntoma de algo más interesante”, dice ella.

Fundamentalmente, el grafeno y otros sistemas 2D permiten un control experimental mucho mayor que otros materiales fuertemente correlacionados, dice ella. Los investigadores pueden sintonizar suavemente no solo el campo eléctrico para alterar el comportamiento, sino también el ángulo de giro, mientras que en Columbia, Ribeiro-Palau y sus colegas utilizaron la punta de un microscopio de fuerza atómica para girar suavemente una capa con respecto a la otra 7 . Como ha demostrado la colaboración de Young y Dean, los experimentadores también pueden ajustar la distancia entre las capas aplicando presión. Apretar las capas más cerca aumenta la fuerza de la interacción entre los electrones en las hojas, un aumento que significa que las condiciones de ángulo mágico pueden ocurrir en rotaciones mucho más grandes y más estables.

Haciendo el giro

Kim y sus colegas ya han replicado el hallazgo de grafeno, dice. Ahora están buscando ver si también pueden generar superconductividad o quizás magnetismo en capas retorcidas de semiconductores 2D más complejos, llamados dicalcogenuros de metales de transición. Antes del resultado del MIT, Kim era uno de los pocos equipos que ya estaba probando los efectos de rotar una capa 2D sobre otra, un área naciente de investigación a veces conocida como twistronics. Con las posibilidades demostradas en el grafeno, la idea está despegando. “En principio, puede aplicar el concepto a todos los materiales 2D y girar para ver qué sucede”, dice Kim. “Existe la posibilidad de que encuentres algo completamente inesperado”.

Mientras tanto, Feng Wang, de la Universidad de California en Berkeley, dice que él y sus colegas han visto signos de superconductividad en capas de grafeno de tres capas, incluso sin un giro. La capa de tres hojas en una orientación particular 8 logra una geometría superlattice similar a la de las bicapas retorcidas de ángulo mágico, y da como resultado una física igualmente fuertemente correlacionada, dice.

Los físicos son optimistas de que el cruce entre dos campos previamente separados (materiales 2D y sistemas fuertemente correlacionados) conducirá a resultados emocionantes. “Nos está dando la oportunidad de hablar con toda una comunidad de personas con las que no hemos tenido la oportunidad de hablar en el pasado”, dice Dean. Y los físicos aplicados están pensando en cómo se pueden aprovechar las propiedades inusuales de las pilas 2D torcidas para almacenar y procesar información de manera súper eficiente. Rotar o apretar materiales también podría convertirse en una nueva forma de cambiar el comportamiento de un dispositivo electrónico.

Pero por ahora, muchos investigadores están enfocados en ordenar los fundamentos. Este mes, los experimentadores y los teóricos se reunirán en el Instituto Kavli de Física Teórica en Santa Bárbara para un taller que abordará cuestiones clave en el campo de la prosperidad. Jarillo-Herrero espera que la reunión ayude a alinear a los teóricos. “En este momento, ni siquiera pueden ponerse de acuerdo sobre lo básico”. Para entonces, más experimentadores podrían estar dispuestos a mostrar su mano y revelar públicamente sus datos, agrega.

A pesar de que los físicos no saben cuán significativo será el descubrimiento en última instancia, Young dice que hay un mensaje de las docenas de artículos teóricos que han aparecido desde las publicaciones del MIT: “Cualquier cosa podría salir de esto, y algo ciertamente sucederá”.

Via: https://www.nature.com/articles/d41586-018-07848-2