En la primavera de 2018, el sorprendente descubrimiento de la superconductividad en un nuevo material provocó un gran revuelo en la comunidad científica. Construido colocando una capa de carbón sobre otra y girando la superior en un ángulo "mágico", el material permitió que los electrones fluyeran sin resistencia, un rasgo que podría impulsar drásticamente la transmisión de energía con eficiencia energética y marcar el comienzo de una serie de nuevas tecnologías.

Ahora, nuevos experimentos llevados a cabo en Princeton dan pistas sobre cómo este material, conocido como grafeno retorcido en ángulo mágico, da lugar a la superconductividad. En el número de esta semana de la revista Naturaleza , Los investigadores de Princeton proporcionan evidencia firme de que el comportamiento superconductor surge de interacciones fuertes entre electrones, proporcionando información sobre las reglas que siguen los electrones cuando surge la superconductividad.

"Este es uno de los temas más candentes de la física, "dijo Ali Yazdani, Profesor de Física de la promoción de 1909 y autor principal del estudio. "Este es un material increíblemente simple, solo dos hojas de carbón que pegas una encima de la otra, y muestra superconductividad ".

Exactamente cómo surge la superconductividad es un misterio que los laboratorios de todo el mundo se esfuerzan por resolver. El campo incluso tiene un nombre, "twistronics".

Parte de la emoción es que, en comparación con los superconductores existentes, el material es bastante fácil de estudiar, ya que solo tiene dos capas y un solo tipo de átomo:el carbono.

"Lo principal de este nuevo material es que es un campo de juego para todos estos tipos de física en los que la gente ha estado pensando durante los últimos 40 años, "dijo B. Andrei Bernevig, profesor de física especializado en teorías para explicar materiales complejos.

La superconductividad en el nuevo material parece funcionar mediante un mecanismo fundamentalmente diferente al de los superconductores tradicionales, que hoy se utilizan en potentes imanes y otras aplicaciones limitadas. Este nuevo material tiene similitudes con el cobre, superconductores de alta temperatura descubiertos en la década de 1980 llamados cupratos. El descubrimiento de los cupratos llevó al Premio Nobel de Física en 1987.

El nuevo material consta de dos láminas de carbono atómicamente delgadas conocidas como grafeno. También el tema de un Premio Nobel de Física, en 2010, el grafeno tiene un patrón de panal plano, como una hoja de alambre de gallinero. En marzo de 2018, Pablo Jarillo-Herrero y su equipo en el Instituto de Tecnología de Massachusetts colocaron una segunda capa de grafeno encima de la primera, luego giró la hoja superior en el ángulo "mágico" de aproximadamente 1,1 grados. Este ángulo había sido predicho anteriormente por los físicos para causar nuevas interacciones de electrones, pero fue una sorpresa cuando los científicos del MIT demostraron superconductividad.

Visto desde arriba los patrones de alambre de gallinero superpuestos dan un efecto de parpadeo conocido como "muaré, "que surge cuando dos patrones geométricamente regulares se superponen, y que alguna vez fue popular en las telas y la moda de la realeza de los siglos XVII y XVIII.

Estos patrones muaré dan lugar a propiedades profundamente nuevas que no se ven en materiales ordinarios. La mayoría de los materiales ordinarios caen en un espectro que va desde el aislamiento hasta el conductor. Los aisladores atrapan electrones en bolsas o niveles de energía que los mantienen atascados en su lugar, mientras que los metales contienen estados de energía que permiten que los electrones pasen de un átomo a otro. En ambos casos, los electrones ocupan diferentes niveles de energía y no interactúan ni se involucran en un comportamiento colectivo.

En grafeno retorcido, sin embargo, la estructura física de la celosía muaré crea estados de energía que evitan que los electrones se separen, obligándolos a interactuar. "Está creando una condición en la que los electrones no pueden apartarse del camino del otro, y en su lugar todos tienen que estar en niveles de energía similares, que es la condición principal para crear estados altamente entrelazados, "Dijo Yazdani.

La pregunta que abordaron los investigadores fue si este entrelazamiento tiene alguna conexión con su superconductividad. Muchos metales simples también se superconducen, pero todos los superconductores de alta temperatura descubiertos hasta la fecha, incluidos los cupratos, muestran estados altamente entrelazados causados ​​por la repulsión mutua entre electrones. La fuerte interacción entre electrones parece ser la clave para lograr una superconductividad a mayor temperatura.

Para abordar esta pregunta, Los investigadores de Princeton utilizaron un microscopio de efecto túnel que es tan sensible que puede obtener imágenes de átomos individuales en una superficie. El equipo escaneó muestras de grafeno retorcido en ángulo mágico en el que controlaron la cantidad de electrones aplicando un voltaje a un electrodo cercano. El estudio proporcionó información microscópica sobre el comportamiento de los electrones en el grafeno bicapa retorcido, mientras que la mayoría de los otros estudios hasta la fecha solo han monitoreado la conducción eléctrica macroscópica.

Al marcar el número de electrones a concentraciones muy bajas o muy altas, los investigadores observaron que los electrones se comportaban de forma casi independiente, como lo harían en metales simples. Sin embargo, en la concentración crítica de electrones donde se descubrió la superconductividad en este sistema, los electrones de repente mostraron signos de fuerte interacción y entrelazamiento.

En la concentración donde surgió la superconductividad, El equipo descubrió que los niveles de energía de los electrones se volvieron inesperadamente amplios, señales que confirman una fuerte interacción y entrelazamiento. Todavía, Bernevig enfatizó que si bien estos experimentos abren la puerta a más estudios, Es necesario trabajar más para comprender en detalle el tipo de enredo que está ocurriendo.

"Todavía hay mucho que no sabemos sobre estos sistemas, ", dijo." No estamos ni cerca de raspar la superficie de lo que se puede aprender a través de experimentos y modelos teóricos ".

Los colaboradores del estudio incluyeron a Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Japón; estudiante de posgrado y primer autor Yonglong Xie, Berthold Jäck, becario de investigación postdoctoral, investigador asociado posdoctoral Xiaomeng Liu, y el estudiante de posgrado Cheng-Li Chiu en el grupo de investigación de Yazdani; y Biao Lian en el grupo de investigación de Bernevig.