Apila dos capas de grafeno, retorcidos en ángulos ligeramente diferentes entre sí, y el material se convierte espontáneamente en superconductor. La ciencia todavía no puede explicar cómo puede suceder algo tan mágico, pero los físicos usan equipo especial para revelar lo que está sucediendo debajo de la superficie.

La superconductividad es un tema que ha intrigado a los científicos durante generaciones, desde que se observó por primera vez hace más de 100 años, en el laboratorio de Leiden del premio Nobel Heike Kamerlingh Onnes. Enfrió el mercurio a casi cero absoluto y, de repente, toda resistencia desapareció. Si introduce una corriente eléctrica en un metal tan frío, seguirá fluyendo hasta que se detenga el enfriamiento.

Refrigeración en este caso significa una temperatura de alrededor de 270 grados bajo cero, la temperatura a la que el helio se vuelve líquido. Esto es complicado y caro, por lo que las aplicaciones prácticas de la superconductividad se limitaron a los imanes en los escáneres de resonancia magnética en los hospitales, hasta ahora.

Mientras tanto, Los físicos han estado buscando superconductores "cálidos" que funcionen con menos enfriamiento. Por ejemplo, Se han desarrollado materiales cerámicos que son superconductores a menos 140. Eso es progreso, pero aún no hemos llegado. Todavía quedan muchas preguntas sin respuesta. Lo que sucede exactamente dentro de esos materiales es una de esas preguntas a las que los investigadores de Leiden Tjerk Benschop y Sense Jan van der Molen esperan encontrar una respuesta.

"La historia nos ha enseñado que una búsqueda como esa puede llevar tiempo, "dice Van der Molen, profesor de Física de la Materia Condensada. "Kamerlingh Onnes descubrió la superconductividad en 1911, pero no fue hasta 1957 que se publicó una buena teoría explicativa. Y todavía no entendemos completamente esos nuevos superconductores cerámicos. Es complicado, incluso para los físicos. Esa fue también la premisa de nuestra colaboración:tomemos un material relativamente simple para experimentar:el grafeno ".

Doctor. candidato Tjerk Benschop:"Lo interesante es que la transición de fase a la superconductividad con grafeno es similar a la de los superconductores cerámicos. La idea es que al estudiar el grafeno, podemos aprender más sobre lo que sucede en otros superconductores.

Nuevo giro

Todos tienen grafeno en sus hogares. El núcleo de grafito de un lápiz consta de interminables capas de grafeno, en el que los átomos de carbono están ordenados en una estructura de panal. Van der Molen:"El grafeno bicapa tiene características particulares:literalmente se puede darle un nuevo giro. Si se retuercen dos capas de grafeno en un ligero ángulo, de repente obtienes un material superconductor. Y si aumenta el ángulo entre las capas, ese fenómeno desaparece. Hay mucha física compleja detrás de eso, y en algunos aspectos todavía es difícil de explicar ".

Benschop:"Suena un poco loco, pero en un ángulo mágico de 1,1 grados, los electrones en las dos capas comienzan a detectarse más entre sí; son capaces de interactuar. Eso da como resultado características únicas, uno de los cuales es la superconductividad. Es difícil explicar por qué es así, porque hay muchos pasos intermedios relacionados con la física. Por ejemplo, estamos hablando de bandas de electrones, algo que es difícil de imaginar ".

Bandas planas

Un grupo internacional de investigadores ha trazado el sándwich de grafeno superconductor en detalle, utilizando una serie de técnicas de medición. Combinaron la experiencia en el campo de la superconductividad del supervisor de Benschop, Milán Allan, y su colega Felix Baumberger en Suiza con la investigación del grafeno de Van der Molen. "Si mide con mucha precisión, incluso puede determinar la condición de los electrones en el material. Hasta ahora, nadie había logrado demostrar que los electrones están más o menos inmóviles en el ángulo mágico de lo que se conoce como banda plana. Y requirió una gran cantidad de trabajo ".

Benschop:"En un momento, Sacrifiqué mis vacaciones de Navidad para hacer imágenes de grafeno retorcido. Lo difícil de mi técnica es que solo se puede medir con precisión si la superficie del grafeno está escrupulosamente limpia. Está escaneando con una aguja microscópicamente pequeña sobre la superficie y si hay una sola molécula de suciedad en alguna parte, su medida falla. Eso me causó muchas molestias al principio, averiguando qué funcionó mejor paso a paso. Para una medición precisa, la superficie del grafeno debe estar realmente limpia, por lo que medimos en un entorno de vacío ultra alto, por ejemplo. Hay menos partículas flotando en la sala de medición que en el espacio ".

Momento eureka

Los diminutos especímenes de grafeno bicapa retorcido fueron hechos por compañeros físicos en Barcelona, ya que es una habilidad por derecho propio. "Lo mejor de la ciencia es que te encuentras con personas a través de publicaciones y conferencias y se les ocurren nuevas ideas juntos, ", dice Van der Molen." En este caso, necesitábamos cuatro grupos de investigación para tener éxito en esto ".

"Después de largos días en el laboratorio, repitiendo y mejorando pacientemente, finalmente hubo un momento eureka, "Nos dice Benschop." Pasas mucho tiempo trabajando para lograrlo, esperando que al final, podrá obtener una buena medición. Es un momento tan especial cuando ves aparecer la estructura atómica del grafeno en tu pantalla, con ese patrón encantador que va con el ángulo correcto de torsión ".

Tan pronto como las dos capas de grafeno se retuercen entre sí, una gran estructura de nido de abeja se hace visible de repente. Es el mismo efecto espontáneo de formación de patrones o muaré que se obtiene cuando se mueven dos finas capas de seda una sobre la otra. Van der Molen:"Ese patrón no es solo una ilusión óptica; en realidad, se produce una nueva estructura que da a los electrones nuevas áreas en las que moverse".

¿Habrá alguna vez chips con grafeno de ángulo mágico en computadoras o teléfonos inteligentes? Benschop no lo cree así. "La superconductividad ocurre en el grafeno a menos 272 grados, lo que hace inviable una aplicación práctica ya que el helio líquido es extremadamente caro. Sobre todo, estamos aprendiendo cada vez más sobre cómo se produce la superconductividad y, con suerte, esto proporcionará ideas para nuevos materiales que son superconductores a temperatura ambiente ".

Lego

Según Van der Molen, el grafeno bicapa es solo el comienzo. El caso es que hay muchos otros pisos, materiales conductores que también pueden apilarse y retorcerse. "Lo veo como un Lego. Pones una capa encima de otra y si hay una fuerte interacción, Se produce un nuevo material con características inesperadas. Es un poco como combinar hidrógeno con oxígeno para obtener agua, y donde el todo es mucho mayor que la suma de las partes ".

Otra opción que Benschop está ansiosa por investigar es la deformación de materiales bicapa, ya que eso también cambia los patrones de muaré y las características eléctricas. "En breve, hay muchos parámetros con los que experimentar, ", dice Van der Molen." Existe una predicción teórica de que la temperatura de la superconductividad fácilmente podría ser más alta. Pero cómo se puede lograr es algo de lo que sabemos muy poco, todavía. Esa es también la mejor parte de nuestro campo profesional:muchas cosas son difíciles de calcular o predecir, así que experimentar marca la diferencia ".