04.11.2022 - Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Un nuevo componente cuántico hecho de grafeno

Por primera vez, investigadores de la ETH de Zúrich han logrado fabricar un componente superconductor a partir de grafeno que es coherente cuánticamente y sensible a los campos magnéticos

Hace menos de 20 años, Konstantin Novoselov y Andre Geim crearon por primera vez cristales bidimensionales formados por una sola capa de átomos de carbono. Conocido como grafeno, este material ha hecho una gran carrera desde entonces. Gracias a su excepcional resistencia, el grafeno se utiliza hoy en día para reforzar productos como raquetas de tenis, neumáticos de coches o alas de aviones. Pero también es un tema interesante para la investigación fundamental, ya que los físicos siguen descubriendo nuevos y sorprendentes fenómenos que no se han observado en otros materiales.

El giro correcto

Los cristales de grafeno bicapa, en los que las dos capas atómicas están ligeramente giradas entre sí, son especialmente interesantes para los investigadores. Hace aproximadamente un año, un equipo de investigadores dirigido por Klaus Ensslin y Thomas Ihn, del Laboratorio de Física del Estado Sólido de la ETH de Zúrich, logró demostrar que el grafeno retorcido podía utilizarse para crear uniones Josephson, los componentes fundamentales de los dispositivos superconductores.

Basándose en este trabajo, los investigadores han podido producir el primer dispositivo de interferencia cuántica superconductor, o SQUID, a partir de grafeno retorcido con el fin de demostrar la interferencia de cuasipartículas superconductoras. Los SQUID convencionales ya se utilizan, por ejemplo, en medicina, geología y arqueología. Sus sensibles sensores son capaces de medir incluso los cambios más pequeños en los campos magnéticos. Sin embargo, los SQUID sólo funcionan en combinación con materiales superconductores, por lo que requieren refrigeración con helio o nitrógeno líquido cuando están en funcionamiento.

En la tecnología cuántica, los SQUID pueden albergar bits cuánticos (qubits), es decir, como elementos para realizar operaciones cuánticas. "Los SQUID son a la superconductividad lo que los transistores a la tecnología de los semiconductores: los bloques de construcción fundamentales para circuitos más complejos", explica Ensslin.

El espectro se amplía

Los SQUID de grafeno creados por el estudiante de doctorado Elías Portolés no son más sensibles que sus homólogos convencionales fabricados en aluminio y, además, tienen que enfriarse a temperaturas inferiores a 2 grados por encima del cero absoluto. "Así que no es un avance para la tecnología SQUID como tal", afirma Ensslin. Sin embargo, amplía considerablemente el espectro de aplicaciones del grafeno. "Hace cinco años ya pudimos demostrar que el grafeno podía utilizarse para construir transistores de un solo electrón. Ahora hemos añadido la superconductividad", afirma Ensslin.

Lo más destacable es que el comportamiento del grafeno puede controlarse de forma selectiva mediante la polarización de un electrodo. Dependiendo del voltaje aplicado, el material puede ser aislante, conductor o superconductor. "El rico espectro de oportunidades que ofrece la física del estado sólido está a nuestra disposición", afirma Ensslin.

También es interesante que los dos componentes fundamentales de un semiconductor (transistor) y un superconductor (SQUID) puedan combinarse ahora en un solo material. Esto hace posible la construcción de novedosas operaciones de control. "Normalmente, el transistor está hecho de silicio y el SQUID de aluminio", dice Ensslin. "Son materiales diferentes que requieren tecnologías de procesamiento distintas".

Un proceso de producción extremadamente difícil

La superconductividad del grafeno fue descubierta por un grupo de investigación del MIT hace cinco años, pero sólo hay una docena de grupos experimentales en todo el mundo que estudian este fenómeno. Menos aún son capaces de convertir el grafeno superconductor en un componente funcional.

El reto consiste en que los científicos tienen que llevar a cabo varios pasos de trabajo delicados, uno tras otro: En primer lugar, tienen que alinear las láminas de grafeno en el ángulo correcto exacto entre ellas. Los siguientes pasos incluyen la conexión de los electrodos y el grabado de los agujeros. Si el grafeno se calienta, como ocurre a menudo durante el procesamiento en sala blanca, las dos capas se vuelven a alinear y el ángulo de torsión desaparece. "Hay que reajustar toda la tecnología estándar de los semiconductores, lo que hace que sea un trabajo extremadamente difícil", afirma Portolés.

La visión de los sistemas híbridos

Ensslin está pensando un paso adelante. Actualmente se está evaluando una gran variedad de tecnologías de qubits, cada una con sus propias ventajas e inconvenientes. En su mayor parte, esto lo están haciendo varios grupos de investigación dentro del Centro Nacional de Competencia en Ciencia y Tecnología Cuántica (QSIT). Si los científicos consiguen acoplar dos de estos sistemas utilizando grafeno, podría ser posible combinar también sus ventajas. "El resultado serían dos sistemas cuánticos diferentes en el mismo cristal", afirma Ensslin.

Esto también generaría nuevas posibilidades de investigación sobre la superconductividad. "Con estos componentes, podríamos entender mejor cómo se produce la superconductividad en el grafeno en primer lugar", añade. "Todo lo que sabemos hoy es que hay diferentes fases de superconductividad en este material, pero aún no tenemos un modelo teórico que las explique".

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