Boletín
Nº 202 - octubre 2019
Un ‘ángulo mágico’ dota al grafeno de nuevas propiedades extraordinarias
Investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas
han descubierto que la disposición del grafeno en dos
capas superpuestas y rotadas 1,1 grados ofrece muchos más estados
superconductores y correlacionados que los descritos hasta ahora, además de
toda una nueva gama de estados magnéticos y topológicos. El estudio abre el
camino hacia la física desconocida que parece estar
SINC | | 30 octubre 2019 19:00
Ilustración del grafeno
bicapa rotado y la multitud de diferentes estados de la materia descubiertos. /
ICFO / F. Vialla
Científicos
del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) informaron el año pasado de un
hallazgo sorprendente con el grafeno:
simplemente girando dos capas de este material una encima de la otra con un ángulo de 1,1 grados (el llamado ángulo
mágico) se comportaba como un superconductor
en el que fluyen las corrientes eléctricas sin resistencia.
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Un nuevo dispositivo
permite observar gran cantidad de estados superconductores, magnéticos y
topológicos del grafeno girado con el ángulo
mágico de 1,1°
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Además, esta configuración siempre estaba acompañada de enigmáticas fases aislantes
correlacionadas, como lo que se observa en los también misteriosos
superconductores de cuprato (un material cerámico)
de alta temperatura.
Ahora, investigadores de Instituto
de Ciencias Fotónicas (ICFO) en Barcelona han
logrado mejorar enormemente la calidad
del dispositivo que lleva el grafeno con esta
configuración, y al hacerlo, se han topado con algo aún más grande y totalmente
inesperado.
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Los autores, que publican su estudio en Nature, pudieron observar una gran cantidad de estados superconductores y correlacionados
desconocidos, además de un conjunto inédito de estados magnéticos y
topológicos, abriendo un camino hacia una física completamente nueva y más
rica.
La superconductividad
a temperatura ambiente es la clave para muchos
objetivos tecnológicos, como la transmisión eficiente de energía, trenes
sin fricción o incluso ordenadores cuánticos, entre otros. Cuando se descubrió
hace más de 100 años, la superconductividad solo era plausible en materiales
enfriados a temperaturas cercanas al cero absoluto.
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Más tarde, a fines de los años 80, los científicos
descubrieron superconductores de alta temperatura utilizando los cupratos.
A pesar de la dificultad de construir superconductores y la necesidad de
aplicar condiciones extremas (campos magnéticos muy fuertes) para estudiar el
material, este campo despegó como un santo grial entre los científicos.
Desde el año pasado, la emoción de las investigaciones ha
aumentado. Las dobles monocapas de carbono han cautivado a los científicos
porque, a diferencia de los cupratos, su
simplicidad estructural se ha convertido en una excelente plataforma para explorar la compleja física de la
superconductividad.
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Esquema del grafeno bicapa
rotado al ángulo mágico encapsulado por nitrito de boro hexagonal. / ICFO /
X. Lu
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En su experimento, los científicos del ICFO utilizaron la
llamada técnica de ensamblaje de van der
Waals de ‘pelar y apilar’ (tear and stack) para fabricar las dos monocapas
de grafeno apiladas y rotadas con el ángulo mágico.
Luego emplearon un proceso de limpieza
mecánica para eliminar las impurezas y liberar la tensión local. Así
pudieron obtener bicapas de grafeno rotadas extremadamente limpias y con menor
desorden, resolviendo una multitud de frágiles efectos de interacción.
Los investigadores Xiaobo
Lu (izquierda) y Dmitri Efetov
(derecha) manipulando la configuración experimental. / ICFO
Al cambiar
la densidad del portador de carga eléctrica dentro del dispositivo con un
condensador cercano vieron que el
material podía ajustarse para que se comportara como un aislante, como un
superconductor, o incluso un imán orbital exótico con textura topológica en
una fase nunca antes observada.
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Lo que es aún más sorprendente es el hecho de que el
dispositivo entró en un estado
superconductor para densidades más bajas, un avance jamás publicado para
cualquier superconductor y completamente nuevo en el campo.
Xiaobo Lu, investigador del ICFO y primer autor del
estudio, está entusiasmado con los resultados: "Para nuestra sorpresa,
observamos que el sistema parecía
competir entre muchos estados nuevos".
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El dispositivo entró en
un estado superconductor para densidades más bajas, un avance
completamente nuevo
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"Al ajustar
la densidad del portador dentro de las dos bandas
de moiré planas más bajas -explica-, el sistema mostró alternativamente estados
correlacionados y superconductividad, junto con magnetismo exótico y topología
de banda. También notamos que estos estados eran muy sensibles a la calidad
del dispositivo, es decir, la precisión y la homogeneidad del ángulo de giro
entre dos hojas de capas de grafeno".
Dispositivo con la estructura de grafeno bicapa rotada en la región central negra en el
cuadrado y colocado sobre la pieza que luego se ajusta al setup
experimental. / ICFO
Por último, los investigadores también pudieron aumentar la temperatura de transición superconductora
a más de 3 kelvin, alcanzando valores récord el doble de altos que en los
estudios previamente publicados para dispositivos de grafeno
con ángulo mágico.
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El grafeno se convierte así en una herramienta que
permite el acceso a una nueva física compleja y excepcionalmente rica
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Como comenta el profesor Dmitri Efetov del ICFO, "nunca
esperamos ver tantos estados diferentes simplemente ajustando la puerta
electrónica. Ha sido totalmente inesperado. Por primera vez, podemos
profundizar en el mundo microscópico y manipular los sistemas para ver qué
sucede, además de comenzar a comprender y encontrar modelos que puedan
explicarlo".
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Según los autores, lo excepcional de este enfoque es que el grafeno -un material que generalmente es pobre en fenómenos
de electrones que interactúan fuertemente- ha sido ahora la herramienta que permite el acceso a esta física compleja y
excepcionalmente rica.
Hasta el momento, no
existe una teoría que pueda explicar la superconductividad en el ángulo mágico
del grafeno a nivel microscópico, sin embargo,
con este nuevo descubrimiento, ha
surgido una nueva oportunidad para revelar su origen.
Además de Lu y Efetov, en este
estudio han participado los investigadores del ICFO Petr
Stepanov, Mohammed Ali Aamir,
Ipsita Das y Adrian Bachtold, en colaboración con un grupo interdisciplinar de
la Universidad de Texas en Austin (EE UU), la Academia de Ciencias de China y
el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón.
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Zona geográfica: Internacional
Fuente: ICFO
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