El año pasado, Los científicos demostraron que el grafeno bicapa retorcido, un material hecho de dos láminas de carbono delgadas como un átomo con una ligera torsión, puede exhibir regiones superconductoras y aislantes alternas. Ahora, un nuevo estudio en la revista Naturaleza por científicos de España, los Estados Unidos., China y Japón muestran que la superconductividad se puede activar o desactivar con un pequeño cambio de voltaje, aumentando su utilidad para dispositivos electrónicos.

"Es una especie de santo grial de la física crear un material que tenga superconductividad a temperatura ambiente, El físico de la Universidad de Texas en Austin, Allan MacDonald, dijo:"Eso es parte de la motivación de este trabajo:comprender mejor la superconductividad de alta temperatura".

El descubrimiento es un avance significativo en un campo emergente llamado Twistronics, cuyos pioneros incluyen MacDonald y el ingeniero Emanuel Tutuc, también de la Universidad de Texas en Austin. Se necesitaron varios años de arduo trabajo por parte de investigadores de todo el mundo para convertir la visión original de MacDonald en materiales con estas extrañas propiedades. pero valio la pena la espera.

Encontrar superconductividad en lugares extraños

En 2011, MacDonald, un físico teórico que usa matemáticas cuánticas y modelado por computadora para estudiar materiales bidimensionales, hizo un descubrimiento inesperado. Junto con Rafi Bistritzer, un investigador postdoctoral, estaba trabajando en la construcción de modelos simples pero precisos de cómo se comportan los electrones en materiales bidimensionales apilados —materiales de un átomo de espesor— cuando una capa está ligeramente torcida en relación con las otras. El problema aparentemente incomprensible, MacDonald creía, podría simplificarse enormemente centrándose en un parámetro clave del sistema.

La estrategia que emplearon MacDonald y Bistritzer resultó exitosa. La sorpresa llegó después. Cuando aplicaron su método al grafeno bicapa retorcido, un sistema que consta de dos capas de átomos de carbono, encontraron que en un ángulo muy específico de aproximadamente 1,1 grados, al que llamaron el "ángulo mágico", los electrones se comportaron de una manera extraña y extraordinaria, moviéndose repentinamente más de 100 veces más lentamente.

Tardaría años en descubrir por qué era así y qué significaría para la ciencia.

A corto plazo, el hallazgo fue ignorado o descartado en gran medida. El resultado parecía demasiado inusual para creerlo. Es más, no era obvio que la creación de un ejemplo físico de tal sistema, con una colocación tan precisa de las hojas bidimensionales, fue físicamente alcanzable.

Pero no todo el mundo se mostró incrédulo o intimidado por los resultados. Algunos experimentales de todo el mundo tomaron nota de la predicción publicada en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias y eligió seguir el "ángulo mágico". Cuando en 2018, por primera vez, Los físicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts crearon un sistema de grafeno en capas retorcido 1,1 grados, ellos encontraron, como había predicho MacDonald, que exhibió propiedades notables, en particular, superconductividad a una temperatura sorprendentemente alta.

"No hay una explicación simple de por qué los electrones se ralentizan repentinamente, ", Dijo MacDonald." Gracias al trabajo reciente de los teóricos de Harvard, ahora hay una explicación parcial relacionada con los modelos que se estudian a menudo en física de partículas elementales. Pero ahora hay todo un mundo de efectos relacionados en diferentes materiales en 2-D en capas. El grafeno bicapa retorcido es solo un vistazo a una parte ".

Los materiales superconductores no tienen resistencia eléctrica, permitiendo que los electrones viajen sin cesar sin disipar energía. Se utilizan en la computación cuántica y podrían cambiar las reglas del juego para la transmisión eléctrica si no requirieran una refrigeración costosa.

Descubierto por primera vez en 1911, La superconductividad se ha documentado en varios materiales. Sin embargo, todos requieren temperaturas extremadamente bajas para mantener sus características distintivas. La aparición de materiales bidimensionales apilados puede cambiar esto.

Desde entonces, el descubrimiento de la superconductividad en el grafeno bicapa retorcido ha proporcionado combustible a un subcampo floreciente con un nombre pegadizo, Twistronics, y una prisa por desarrollar aún más la tecnología.

Una década de estudio dedicado

Desde el descubrimiento del grafeno por Andre Geim y Konstantin Novoselov en la Universidad de Manchester en 2004 (que finalmente llevó a un Premio Nobel de Física en 2010), MacDonald ha estado fascinado con estos extraños, sistemas bidimensionales y la nueva física que pueden contener.

Comenzó a estudiar el material casi de inmediato y, desde el 2004, ha utilizado supercomputadoras en el Centro de Computación Avanzada de Texas (TACC) para explorar la estructura electrónica del grafeno y otros materiales 2-D.

"Mi trabajo consiste en predecir fenómenos inusuales que no se han visto antes, o tratando de comprender fenómenos que no se comprenden bien, "MacDonald dijo." Me atrae la teoría que se conecta directamente a las cosas que realmente suceden, y estoy interesado en el poder de las matemáticas y la teoría para describir el mundo real ".

Las extrañas propiedades de los materiales bidimensionales en capas parecen relacionarse con interacciones, que se vuelven mucho más cruciales cuando los electrones se ralentizan, induciendo fuertes correlaciones entre electrones individuales. Típicamente, los electrones circulan casi por separado alrededor del núcleo en los orbitales atómicos, establecerse en estados cuánticos con las energías más bajas disponibles. Este no parece ser el caso del grafeno de ángulo mágico.

"Básicamente, no puede suceder nada muy interesante cuando los electrones se organizan como lo hacen en un átomo al ocupar los orbitales de menor energía, ", Dijo MacDonald." Pero una vez que su destino está determinado por las interacciones entre los electrones, entonces pueden suceder cosas interesantes ".

¿Cómo se puede estudiar lo que sucede en los sistemas bidimensionales en capas? técnicamente, como heteroestructuras de van der Waals? "Ver" electrones en movimiento es casi imposible. Las mediciones proporcionan pistas, pero los resultados son oblicuos y frecuentemente contrarios a la intuición. Modelos de computadora, MacDonald cree, puede ayudar a aumentar la imagen emergente de electrones confinados.

Los modelos informáticos que representan la estructura electrónica clásica están bien desarrollados y son muy precisos en la mayoría de los casos. pero deben ajustarse frente a la extraña física de las heterouniones.

Alterar estos factores significa reescribir el modelo predominante para reflejar el comportamiento de los electrones que interactúan fuertemente, una tarea en la que MacDonald y los investigadores de su laboratorio están trabajando actualmente, utilizando la supercomputadora Stampede2 de TACC, una de las más poderosas del mundo, para probar modelos y ejecutar simulaciones. Es más, Deben incluirse cantidades cada vez mayores de electrones para poder replicar con precisión los resultados que están surgiendo de los laboratorios de todo el mundo.

"El sistema real tiene miles de millones de electrones, "MacDonald explicó." A medida que aumenta el número de electrones, excede rápidamente la capacidad de cualquier computadora. Entonces, uno de los enfoques que estamos usando, en el trabajo dirigido por Pawel Potasz, un visitante de Polonia, es resolver el problema electrónico para pequeñas cantidades de electrones y extrapolar el comportamiento a grandes números ".

Aplicar la teoría a sistemas nunca antes vistos

Mientras trabajaba para rediseñar modelos de estructuras electrónicas y escalarlos a un número cada vez mayor de electrones, MacDonald todavía encuentra tiempo para colaborar con grupos experimentales de todo el mundo, agregando sus conocimientos teóricos y computacionales a sus hallazgos.

Durante años después del descubrimiento del ángulo mágico, las dificultades prácticas para crear formas puras de materiales bidimensionales en capas con ángulos de rotación precisos limitaban el campo. Pero en 2016, otro investigador de UT, Emanuel Tutuc, y su estudiante de posgrado, Kyounghwan Kim, desarrolló un método confiable para crear tales sistemas, no solo usando grafeno, pero de varios materiales 2-D diferentes.

"El gran avance fue realmente una técnica que introdujo mi alumno, que consiste en tomar una gran capa, dividiéndolo en dos y tomando un segmento y poniéndolo encima del otro, "Dijo Tutuc.

La razón por la que no se había implementado antes es que es muy difícil recoger una pieza del tamaño de una micra de material de un átomo de espesor. Kim inventó un pegajoso mango hemisférico que puede levantar un copo individual, dejando todo lo demás en su proximidad intacto.

"Una vez hecho esto, las posibilidades se volvieron infinitas, ", continuó." No mucho después, el mismo estudiante dijo, 'OK, ahora que podemos alinearlos con una precisión realmente alta, sigamos adelante y gírelos '. Así que ese fue el siguiente paso ".

En años recientes, MacDonald y su equipo han explorado pilas de tres, cuatro o cinco capas de grafeno, así como otros materiales prometedores, particularmente calcogenuros de metales de transición, buscando fenómenos inusuales y potencialmente útiles.

Escribiendo en Naturaleza en febrero de 2019, MacDonald, Tutuc, Elaine Li, física de UT Austin, y un gran equipo internacional describió la observación de excitones indirectos en una heterobicapa de diselenuro de molibdeno / diselenuro de tungsteno (MoSe2 / WSe2) con un pequeño ángulo de torsión.

Los excitones son cuasipartículas que consisten en un electrón y un agujero que se atraen y se mantienen en su lugar. Por lo general, existen dentro de una sola capa. Sin embargo, con ciertos materiales 2-D, es posible que existan en diferentes capas, lo que aumenta enormemente la duración de su existencia. Esto puede permitir superfluidez, el flujo sin obstáculos de líquidos, una propiedad que antes solo se veía en el helio líquido.

Ahora, MacDonald y un equipo de España, China y Japón han publicado un estudio en Naturaleza de grafeno de ángulo mágico que mostró que el material puede exhibir fases alternas superconductoras y aislantes que se pueden encender o apagar con un pequeño cambio de voltaje, similar a los voltajes utilizados en circuitos integrados, aumentando su utilidad para dispositivos electrónicos. Para lograr este resultado, Los miembros del equipo del Instituto Catalán de Física Óptica produjeron superredes de grafeno con giros más uniformes de lo que era posible anteriormente. Al hacerlo, descubrieron que el patrón de estados superconductores y aislantes intercalados es aún más intrincado de lo previsto.

Las supercomputadoras TACC son una herramienta fundamental en la investigación de MacDonald y se utilizaron para el modelado teórico de los datos en los últimos años. Naturaleza papel.

"Muchas de las cosas que hacemos, no podríamos prescindir de una computadora de alto rendimiento, ", afirmó." Comenzamos a ejecutar en un escritorio y luego nos empantanamos rápidamente. Muy a menudo usar una supercomputadora es la diferencia entre poder obtener una respuesta satisfactoria y no poder obtener una respuesta satisfactoria ".

Aunque los resultados de los experimentos computacionales pueden parecer menos inmediatos o "reales" que los de un laboratorio, como ha demostrado MacDonald, los resultados pueden revelar nuevas vías de exploración y ayudar a iluminar los misterios del universo.

"Lo que ha dinamizado mi trabajo es que la naturaleza siempre plantea nuevos problemas. Y cuando haces un nuevo tipo de pregunta, no sabes de antemano cuál es la respuesta, ", Dijo MacDonald." La investigación es una aventura, una aventura comunitaria, un paseo colectivo al azar, por el cual el conocimiento avanza ".