14.12.2021 - Institute of Science and Technology Austria (IST Austria)

Resolver los enigmas de la superconductividad del grafeno

Los físicos publican un marco teórico para explicar el reciente descubrimiento de la superconductividad en el grafeno de tres capas

Una sola capa de átomos de carbono dispuesta en un entramado de panal constituye el prometedor nanomaterial llamado grafeno. La investigación sobre una configuración de tres láminas de grafeno apiladas una sobre otra de forma que sus retículas estén alineadas pero desplazadas -formando un grafeno romboédrico de tres capas- reveló un estado inesperado de superconductividad. En este estado la resistencia eléctrica desaparece debido a la naturaleza cuántica de los electrones. El descubrimiento se publicó y debatió en Nature, mientras que los orígenes seguían siendo esquivos. Ahora, el profesor Maksym Serbyn y el postdoc Areg Ghazaryan, del Instituto de Ciencia y Tecnología (IST) de Austria, en colaboración con el profesor Erez Berg y el postdoc Tobias Holder, del Instituto de Ciencia Weizmann de Israel, han desarrollado un marco teórico de la superconductividad no convencional que resuelve los enigmas planteados por los datos experimentales.

Los enigmas y su resolución

La superconductividad se basa en el emparejamiento de electrones libres en el material, a pesar de su repulsión derivada de sus cargas negativas iguales. Este emparejamiento se produce entre electrones de espín opuesto a través de las vibraciones de la red cristalina. El espín es una propiedad cuántica de las partículas comparable, pero no idéntica, a la rotación. Este tipo de emparejamiento se da, al menos, en los superconductores convencionales. "Aplicado al grafeno de tres capas", señala Ghazaryan, coautor del estudio, "identificamos dos enigmas que parecen difíciles de conciliar con la superconductividad convencional".

En primer lugar, por encima de una temperatura umbral de aproximadamente -260 °C la resistencia eléctrica debería aumentar en pasos iguales con el aumento de la temperatura. Sin embargo, en los experimentos se mantuvo constante hasta los -250 °C. En segundo lugar, el emparejamiento entre electrones de espines opuestos implica un acoplamiento que contradice otra característica observada experimentalmente, a saber, la presencia de una configuración cercana con espines totalmente alineados, lo que conocemos como magnetismo. "En el artículo, mostramos que ambas observaciones son explicables", resume el jefe del grupo, Maksym Serbyn, "si se asume que una interacción entre electrones proporciona el 'pegamento' que mantiene unidos a los electrones. Esto conduce a una superconductividad no convencional".

Cuando se dibujan todos los estados posibles, que pueden tener los electrones, en un determinado gráfico y luego se separan los ocupados de los desocupados con una línea, esta línea de separación se llama superficie de Fermi. Los datos experimentales del grafeno muestran dos superficies de Fermi, creando una forma anular. En su trabajo, los investigadores se basan en una teoría de Kohn y Luttinger de los años 60 y demuestran que estas superficies de Fermi circulares favorecen un mecanismo de superconductividad basado únicamente en las interacciones de los electrones. También sugieren montajes experimentales para poner a prueba su argumento y ofrecen vías para elevar la temperatura crítica, donde empieza a aparecer la superconductividad.

Las ventajas de la superconductividad del grafeno

Aunque la superconductividad se ha observado en otros grafenos tricapa y bicapa, estos materiales conocidos deben ser diseñados específicamente y pueden ser difíciles de controlar debido a su baja estabilidad. El grafeno romboédrico tricapa, aunque poco frecuente, se encuentra en la naturaleza. La solución teórica propuesta puede arrojar luz sobre antiguos problemas de la física de la materia condensada y abrir el camino a posibles aplicaciones tanto de la superconductividad como del grafeno.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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