Los físicos del MIT han observado signos de un tipo raro de superconductividad en un material llamado grafeno de tres capas retorcidas de ángulo mágico. En un estudio que aparece en Naturaleza , los investigadores informan que el material exhibe superconductividad en campos magnéticos sorprendentemente altos de hasta 10 Tesla, que es tres veces mayor de lo que se prevé que aguante el material si fuera un superconductor convencional.

Los resultados implican fuertemente que el grafeno de tres capas de ángulo mágico, que fue descubierto inicialmente por el mismo grupo, es un tipo muy raro de superconductor, conocido como "triplete de espín, "que es impermeable a los campos magnéticos altos. Estos superconductores exóticos podrían mejorar enormemente tecnologías como la resonancia magnética, que utiliza alambres superconductores bajo un campo magnético para resonar con el tejido biológico y obtener imágenes. Las máquinas de resonancia magnética están actualmente limitadas a campos magnéticos de 1 a 3 Tesla. Si pudieran construirse con superconductores de triplete de espín, La resonancia magnética podría operar bajo campos magnéticos más altos para producir más nítidos, imágenes más profundas del cuerpo humano.

La nueva evidencia de superconductividad de triplete de espín en el grafeno de tres capas también podría ayudar a los científicos a diseñar superconductores más fuertes para la computación cuántica práctica.

"El valor de este experimento es lo que nos enseña sobre la superconductividad fundamental, sobre cómo se pueden comportar los materiales, para que con esas lecciones aprendidas, podemos intentar diseñar principios para otros materiales que serían más fáciles de fabricar, que tal vez podría darte una mejor superconductividad, "dice Pablo Jarillo-Herrero, el profesor de física Cecil e Ida Green en el MIT.

Sus coautores del artículo incluyen al postdoctorado Yuan Cao y al estudiante de posgrado Jeong Min Park en el MIT, y Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón.

Cambio extraño

Los materiales superconductores se definen por su capacidad supereficiente para conducir electricidad sin perder energía. Cuando se expone a una corriente eléctrica, los electrones en un superconductor se acoplan en "pares de Cooper" que luego viajan a través del material sin resistencia, como pasajeros en un tren expreso.

En una gran mayoría de superconductores, estos pares de pasajeros tienen giros opuestos, con un electrón girando, y el otro hacia abajo, una configuración conocida como "spin-singlete". Estos pares pasan felizmente a través de un superconductor, excepto bajo campos magnéticos altos, que puede cambiar la energía de cada electrón en direcciones opuestas, separando a la pareja. De este modo, y mediante mecanismos, Los campos magnéticos elevados pueden descarrilar la superconductividad en los superconductores singlete de espín convencionales.

"Esa es la razón fundamental por la que en un campo magnético lo suficientemente grande, la superconductividad desaparece, "Dice Park.

Pero existe un puñado de superconductores exóticos que son impermeables a los campos magnéticos, hasta fortalezas muy grandes. Estos materiales se superconducen a través de pares de electrones con el mismo espín, una propiedad conocida como "triplete de espín". Cuando se expone a campos magnéticos altos, la energía de ambos electrones en un par de Cooper se desplaza en la misma dirección, de manera que no se separen sino que continúen superconductores imperturbables, independientemente de la intensidad del campo magnético.

El grupo de Jarillo-Herrero tenía curiosidad por saber si el grafeno de tres capas de ángulo mágico podría albergar signos de esta superconductividad de triplete de espín más inusual. El equipo ha realizado un trabajo pionero en el estudio de las estructuras muaré de grafeno:capas de redes de carbono delgadas como átomos que, cuando se apilan en ángulos específicos, puede dar lugar a comportamientos electrónicos sorprendentes.

Los investigadores informaron inicialmente propiedades tan curiosas en dos hojas de grafeno en ángulo, al que llamaron grafeno bicapa de ángulo mágico. Pronto siguieron con pruebas de grafeno de tres capas, una configuración sándwich de tres láminas de grafeno que resultó ser incluso más fuerte que su contraparte bicapa, reteniendo la superconductividad a temperaturas más altas. Cuando los investigadores aplicaron un modesto campo magnético, notaron que el grafeno de tres capas era capaz de superconducirse con intensidades de campo que destruirían la superconductividad en el grafeno de dos capas.

"Pensamos, esto es algo muy extraño, "Dice Jarillo-Herrero.

Un super regreso

En su nuevo estudio, los físicos probaron la superconductividad del grafeno de tres capas bajo campos magnéticos cada vez más altos. Fabricaron el material quitando capas de carbono delgadas como átomos de un bloque de grafito, apilando tres capas juntas, y girando el del medio 1,56 grados con respecto a las capas exteriores. Conectaron un electrodo a cada extremo del material para hacer pasar una corriente y medir la energía perdida en el proceso. Luego encendieron un gran imán en el laboratorio, con un campo que orientaron paralelo al material.

A medida que aumentaron el campo magnético alrededor del grafeno de tres capas, observaron que la superconductividad se mantuvo fuerte hasta un punto antes de desaparecer, pero luego, curiosamente, reapareció con intensidades de campo más altas, una reaparición que es muy inusual y que no se sabe que ocurra en los superconductores de espín-singlete convencionales.

"En superconductores spin-singlete, si matas la superconductividad, nunca regresa, se ha ido para siempre, "Dice Cao." Aquí, reapareció de nuevo. Así que esto definitivamente dice que este material no es spin-singlete ".

También observaron que después del "reingreso, "la superconductividad persistió hasta 10 Tesla, la máxima intensidad de campo que podría producir el imán del laboratorio. Esto es aproximadamente tres veces más alto de lo que debería soportar el superconductor si fuera un singlete de espín convencional, según el límite de Pauli, una teoría que predice el campo magnético máximo en el que un material puede retener superconductividad.

Reaparición de superconductividad del grafeno de tres capas, emparejado con su persistencia en campos magnéticos más altos de lo previsto, descarta la posibilidad de que el material sea un superconductor común y corriente. En lugar de, es probable que sea de un tipo muy raro, posiblemente un triplete de espín, albergar parejas de Cooper que recorren rápidamente el material, impermeable a los campos magnéticos elevados. El equipo planea profundizar en el material para confirmar su estado de giro exacto, lo que podría ayudar a informar el diseño de máquinas de resonancia magnética más potentes, y también computadoras cuánticas más robustas.

"La computación cuántica regular es súper frágil, "Dice Jarillo-Herrero." Lo miras y, maricón, desaparece. Hace unos 20 años, Los teóricos propusieron un tipo de superconductividad topológica que, si se realiza en cualquier material, podría [habilitar] una computadora cuántica donde los estados responsables de la computación son muy robustos. Eso daría infinitamente más poder para hacer computación. El ingrediente clave para darse cuenta de eso serían los superconductores de triplete de espín, de cierto tipo. No tenemos idea de si nuestro tipo es de ese tipo. Pero incluso si no lo es esto podría facilitar la colocación de grafeno de tres capas con otros materiales para diseñar ese tipo de superconductividad. Eso podría ser un gran avance. Pero todavía es muy temprano ".