Un material-teclado hecho de grafeno

Aislante y superconductor en el mismo material

07.05.2021 - Suiza

Investigadores de la ETH de Zúrich han conseguido convertir copos de grafeno especialmente preparados en aislantes o en superconductores aplicando una tensión eléctrica. Esta técnica funciona incluso a nivel local, lo que significa que en una misma escama de grafeno pueden coexistir regiones con propiedades físicas completamente diferentes.

ETH Zürich / F. de Vries

El teclado del material realizado por los investigadores de la ETH de Zúrich. Aplicando tensiones eléctricas ("teclas") en distintos puntos, el grafeno de ángulo mágico puede volverse localmente superconductor (pares de electrones) o aislante (barrera de la derecha).

La producción de componentes electrónicos modernos requiere materiales con propiedades muy diversas. Hay aislantes, por ejemplo, que no conducen la corriente eléctrica, y superconductores que la transportan sin pérdidas. Para obtener una determinada funcionalidad de un componente, normalmente hay que unir varios materiales de este tipo. A menudo esto no es fácil, sobre todo cuando se trata de nanoestructuras de uso generalizado en la actualidad. Un equipo de investigadores de la ETH de Zúrich, dirigido por Klaus Ensslin y Thomas Ihn, del Laboratorio de Física del Estado Sólido, ha conseguido ahora que un material se comporte alternativamente como aislante o como superconductor -o incluso como ambos en distintos puntos del mismo material- con sólo aplicar una tensión eléctrica.

Grafeno con un ángulo mágico

El material que utilizan Ensslin y sus colaboradores lleva el engorroso nombre de "grafeno bicapa retorcido en ángulo mágico". En realidad, este nombre esconde algo bastante sencillo y conocido, el carbono, aunque con una forma particular y un giro especial. El punto de partida del material son los copos de grafeno, que son capas de carbono de sólo un átomo de grosor. Los investigadores colocaron dos de esas capas una encima de la otra de forma que sus ejes cristalinos no fueran paralelos, sino que formaran un "ángulo mágico" de exactamente 1,06 grados. "Eso es bastante complicado, y además tenemos que controlar con precisión la temperatura de las escamas durante la producción. Como resultado, a menudo sale mal", explica Peter Rickhaus, que participó en los experimentos como postdoc.

Sin embargo, en el veinte por ciento de los intentos funciona, y las redes cristalinas atómicas de los copos de grafeno crean el llamado patrón de moiré, en el que los electrones del material se comportan de forma diferente a la del grafeno ordinario. Los patrones de moiré son conocidos, por ejemplo, en la televisión, donde la interacción entre una prenda estampada y las líneas de barrido de la imagen televisiva puede dar lugar a interesantes efectos ópticos. Sobre los copos de grafeno de ángulo mágico, los investigadores colocan varios electrodos adicionales con los que pueden aplicar una tensión eléctrica al material. Cuando lo enfrían todo hasta unas centésimas de grado por encima del cero absoluto, ocurre algo extraordinario. Dependiendo de la tensión aplicada, los copos de grafeno se comportan de dos maneras completamente opuestas: como superconductor o como aislante. Esta superconductividad conmutable ya se demostró en 2018 en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos. Todavía hoy solo unos pocos grupos en todo el mundo son capaces de producir este tipo de muestras.

Aislante y superconductor en el mismo material

Ensslin y sus colegas van ahora un paso más allá. Aplicando diferentes voltajes a cada uno de los electrodos, convierten el grafeno de ángulo mágico en un aislante en un punto, pero unos cientos de nanómetros a un lado se convierte en un superconductor.

"Cuando vimos eso, obviamente lo primero que hicimos fue intentar realizar una unión Josephson", dice Fokko de Vries, que también es postdoc en el laboratorio de Ensslins. En estas uniones, dos superconductores están separados por una capa aislante muy fina. De este modo, la corriente no puede fluir directamente entre los dos superconductores, sino que tiene que hacer un túnel mecánico cuántico a través del aislante. Esto, a su vez, hace que la conductividad del contacto varíe en función de la corriente de forma característica, dependiendo de si se utiliza corriente continua o alterna.

Posibles aplicaciones en tecnologías cuánticas

Los investigadores del ETH consiguieron producir una unión Josephson en el interior de las escamas de grafeno retorcidas por el ángulo mágico utilizando diferentes voltajes aplicados a los tres electrodos, y también medir sus propiedades. "Ahora que eso también ha funcionado, podemos probar con dispositivos más complejos, como los SQUID", dice de Vries. En los SQUID ("dispositivo de interferencia cuántica superconductor") se conectan dos uniones Josephson para formar un anillo. Entre las aplicaciones prácticas de estos dispositivos se encuentran las mediciones de campos magnéticos diminutos, pero también tecnologías modernas como los ordenadores cuánticos. Para posibles usos en ordenadores cuánticos, un aspecto interesante es que, con la ayuda de los electrodos, los copos de grafeno pueden convertirse no sólo en aislantes y superconductores, sino también en imanes o en los llamados aislantes topológicos, en los que la corriente sólo puede fluir en una dirección a lo largo del borde del material. Esto podría aprovecharse para realizar diferentes tipos de bits cuánticos (qubits) en un solo dispositivo.

Un teclado para materiales

"Sin embargo, hasta ahora sólo se trata de especulaciones", afirma Ensslin. Aun así, se muestra entusiasmado con las posibilidades que se derivan del control eléctrico ya desde ahora. "Con los electrodos, prácticamente podemos tocar el piano en el grafeno". Entre otras cosas, los físicos esperan que esto les ayude a obtener nuevos conocimientos sobre los mecanismos detallados que provocan la superconductividad en el grafeno de ángulo mágico.

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