Si apila dos capas de grafeno una encima de la otra, y rotarlos en un ángulo de 1,1º (ni más ni menos) entre sí, el llamado 'ángulo mágico, 'experimentos han demostrado que el material puede comportarse como un aislante, donde no pueda fluir corriente eléctrica, y al mismo también puede comportarse como un superconductor, donde las corrientes eléctricas pueden fluir sin resistencia.

Este importante hallazgo tuvo lugar en 2018. El año pasado, en 2019, mientras que los investigadores del ICFO estaban mejorando la calidad del dispositivo utilizado para replicar tales avances, tropezaron con algo aún más grande y totalmente inesperado. Pudieron observar un zoológico de estados superconductores y correlacionados previamente no observados, además de un conjunto completamente nuevo de estados magnéticos y topológicos, abriendo un reino completamente nuevo de física más rica.

Hasta aquí, No existe ninguna teoría que haya podido explicar la superconductividad en el grafeno de ángulo mágico a nivel microscópico. Sin embargo, este hallazgo ha desencadenado muchos estudios, que están tratando de comprender y develar la física detrás de todos estos fenómenos que ocurren en este material. En particular, Los científicos establecieron analogías con los superconductores de alta temperatura no convencionales:los cupratos, que tienen el récord de temperaturas superconductoras más altas, solo 2 veces más bajo que la temperatura ambiente. Su mecanismo microscópico de la fase superconductora aún no se comprende, 30 años después de su descubrimiento. Sin embargo, de manera similar al grafeno bicapa retorcido de ángulo mágico (MATBG), se cree que una fase aislante es responsable de la fase superconductora próxima a ella. Comprender la relación entre las fases superconductora y aislante está en el centro del interés de los investigadores, y podría conducir a un gran avance en la investigación de la superconductividad.

En un estudio publicado recientemente en Naturaleza , Los investigadores del ICFO Petr Stepanov, Ipsita Das, Xiaobo Lu, Frank H. L. Koppens, dirigido por el profesor del ICFO Dmitri Efetov, en colaboración con un grupo interdisciplinario de científicos del MIT, Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón, y el Imperial College de Londres, han profundizado en el comportamiento físico de este sistema e informan sobre las pruebas detalladas y el control de detección de dispositivos de grafeno bicapa trenzado de ángulo mágico (MATBG) con varios ángulos de giro de ángulo casi mágico, para encontrar una posible explicación para los estados mencionados.

En su experimento, pudieron controlar simultáneamente la velocidad y las energías de interacción de los electrones, y así convertir las fases aislantes en superconductoras. Normalmente, en el ángulo mágico, se forma un estado aislante, dado que los electrones tienen velocidades muy pequeñas, y además, se repelen fuertemente entre sí a través de la fuerza de Coulomb. En este estudio, Stepanov y su equipo utilizaron dispositivos con ángulos de giro ligeramente alejados del ángulo mágico de 1,1 ° en ± 0,05 °, y los colocó muy cerca de las capas de cribado metálicas, separándolos solo por unos pocos nanómetros mediante el aislamiento de capas hexagonales de nitruro de boro. Esto les permitió reducir la fuerza repulsiva entre los electrones y acelerarlos, permitiendo que se muevan libremente, escapando del estado aislante.

Al hacerlo, Stepanov y sus colegas observaron algo bastante inesperado. Al cambiar el voltaje (densidad de portadora) en las diferentes configuraciones del dispositivo, la fase de superconductividad permaneció mientras que la fase aislante correlacionada desapareció. De hecho, la fase superconductora se extendía por regiones más grandes de densidades incluso cuando variaba la densidad del portador. Tales observaciones sugieren que en lugar de tener el mismo origen común, la fase aislante y superconductora en realidad podrían competir entre sí, lo que pone en tela de juicio la simple analogía con los cupratos que se creía anteriormente. Sin embargo, los científicos pronto se dieron cuenta de que la fase superconductora podría ser aún más interesante, ya que se encuentra muy cerca de los estados topológicos, que se activan mediante la interacción electrónica recurrente mediante la aplicación de un campo magnético.

Superconductividad con grafeno de ángulo mágico

La superconductividad a temperatura ambiente es la clave para muchos objetivos tecnológicos, como la transmisión de energía eficiente, trenes sin fricción, o incluso computadoras cuánticas, entre otros. Cuando se descubrió hace más de 100 años, la superconductividad solo era plausible en materiales enfriados a temperaturas cercanas al cero absoluto. Luego, a finales de los 80, Los científicos descubrieron superconductores de alta temperatura mediante el uso de materiales cerámicos llamados cupratos. A pesar de la dificultad de construir superconductores y la necesidad de aplicar condiciones extremas (campos magnéticos muy fuertes) para estudiar el material, el campo despegó como una especie de santo grial entre los científicos basados ​​en este avance. Desde el año pasado, la emoción en torno a este campo ha aumentado. Las dobles monocapas de carbono han cautivado a los investigadores porque, a diferencia de los cupratos, su simplicidad estructural se ha convertido en una excelente plataforma para explorar la compleja física de la superconductividad.