Descubiertas nuevas propiedades extraordinarias del Grafeno

01.11.2019

©ICFO

Close-up of the device placed onto the piece that later is adjusted to the experimental setup.

El año pasado, el grafeno hizo otra gran aparición en los titulares cuando los científicos descubrieron que simplemente girando dos capas de este material una encima de la otra, podía comportarse como un superconductor donde las corrientes eléctricas fluyen sin resistencia. Se vio que esta nueva fase de la materia aparecía solo cuando las dos capas de grafeno se rotaban entre sí a un ángulo de 1.1º (ni más ni menos), el llamado ángulo mágico, y siempre estaba acompañado de enigmáticas fases aislantes correlacionadas, similar a lo que se observa en los misteriosos superconductores de cuprato de alta temperatura.

Ahora, los investigadores del ICFO en Barcelona han logrado mejorar enormemente la calidad del dispositivo de esta configuración, y al hacerlo, se han topado con algo aún más grande y totalmente inesperado. Pudieron observar una gran cantidad de estados superconductores y correlacionados previamente no observados, además de un conjunto completamente nuevo 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. Más tarde, a fines de los años 80, los científicos descubrieron superconductores de alta temperatura utilizando materiales cerámicos llamados cupratos. A pesar de la dificultad de construir superconductores y la necesidad de aplicar condiciones extremas (campos magnéticos muy fuertes) para estudiar el material, el campo despegó como un santo grial entre los científicos debido a este avance. Desde el año pasado, la emoción en este campo ha aumentado. Las dobles monocapas de carbono han cautivado a los investigadores porque, a diferencia de los cupratos, su simplicidad estructural se ha convertido en una excelente plataforma para explorar la compleja física de la superconductividad.

El nuevo estudio publicado recientemente en Nature fue realizado por los investigadores del ICFO Xiaobo Lu, Petr Stepanov, Mohammed Ali Aamir, Ipsita Das, dirigido por el profesor del ICFO Dmitri Efetov, con el apoyo del laboratorio de investigación del profesor del ICFO Prof. Adrian Bachtold, y en colaboración con un grupo interdisciplinario de UT Austin, la Academia de Ciencias de China y el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón. En su experimento, utilizando una técnica de ensamblaje de van der Waals de tear and stack ("pelar y apilar"), los científicos del ICFO pudieron diseñar dos monocapas de grafeno apiladas, rotadas solo 1.1º, el ángulo mágico. Luego utilizaron un proceso de limpieza mecánica para eliminar las impurezas y liberar la tensión local entre las capas. Al hacer esto, pudieron obtener bicapas de grafeno rotadas extremadamente limpias con un menor desorden, resolviendo una multitud de frágiles efectos de interacción.

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 no trivial: una fase nunca antes observada. Lo que es aún más sorprendente es el hecho de que el dispositivo entró en un estado superconductor para densidades más bajas, jamás publicados para cualquier superconductor, un avance completamente nuevo en el campo.

Xiaobo Lu, primer autor del estudio, entusiasmado con los resultados, dice "Para nuestra sorpresa, observamos que el sistema parecía competir entre muchos estados nuevos. Al ajustar la densidad del portador dentro de las dos bandas de moiré planas más bajas, 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."

Por último, en este experimento, 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.

Como comenta el Prof. 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 para comenzar a comprender y encontrar modelos que puedan explicarlo."

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, está claro que ha surgido una nueva oportunidad para revelar su origen.

ICFO – The Institute of Photonic Sciences

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