La capacidad de activar y desactivar la superconductividad con un movimiento literal de un interruptor en el llamado "grafeno torcido de ángulo mágico" ha permitido a los ingenieros de Caltech observar un fenómeno inusual que puede arrojar nueva luz sobre la superconductividad en general.

La investigación, dirigida por Stevan Nadj-Perge, profesor asistente de física aplicada y ciencia de los materiales, se publicó en la revista Nature el 15 de junio.

El grafeno torcido de ángulo mágico, descubierto por primera vez en 2018, está hecho de dos o tres hojas de grafeno (una forma de carbono que consiste en una sola capa de átomos en un patrón de celosía similar a un panal) superpuestas una encima de la otra, con cada hoja torcida en precisamente 1,05 grados en relación con el que está debajo. La bicapa o tricapa resultante tiene propiedades electrónicas inusuales:por ejemplo, puede convertirse en un aislante o un superconductor dependiendo de cuántos electrones se agreguen.

Los superconductores son materiales que exhiben un estado electrónico peculiar en el que los electrones pueden fluir libremente a través de los materiales sin resistencia, lo que significa que la electricidad fluye a través de ellos sin pérdida de energía por calor. Esta transmisión hipereficiente de electricidad tiene infinitas aplicaciones potenciales en los campos de la informática, la electrónica y otros lugares.

Sin embargo, el problema con los superconductores es que, en la mayoría de los materiales, tiene lugar a temperaturas extremadamente bajas, generalmente solo unos pocos grados por encima del cero absoluto (-273,15 grados Celsius). A tales temperaturas, los electrones forman pares que se comportan de manera fundamentalmente diferente en comparación con los electrones individuales y se condensan en un estado mecánico cuántico que permite que los pares de electrones fluyan sin dispersarse.

La superconductividad se descubrió por primera vez hace más de un siglo, pero los científicos aún no comprenden completamente los mecanismos precisos detrás de la formación de pares de electrones para algunos materiales. En los superconductores convencionales, como el aluminio metálico, se entiende bien que la atracción entre electrones que conduce a la formación de pares de electrones se debe a la interacción de los electrones con la red cristalina del material. El comportamiento de estos materiales se describe utilizando la teoría de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS), llamada así por John Bardeen, Leon Cooper y John Robert Schrieffer, quienes compartieron el Premio Nobel de Física en 1972 por el desarrollo de la teoría.

Mientras estudiaban tricapas de grafeno retorcidas en ángulo mágico, Nadj-Perge y sus colegas descubrieron que la superconductividad en este material exhibe varias propiedades muy inusuales que no pueden describirse usando la teoría BSC, lo que probablemente también lo convierta en un superconductor no convencional.

Midieron la evolución de la llamada brecha superconductora a medida que los electrones se eliminan de la tricapa con solo presionar un interruptor para encender o apagar un campo eléctrico. La brecha superconductora es una propiedad que describe cuán difícil es agregar o eliminar electrones individuales en un superconductor. Debido a que los electrones en un superconductor quieren emparejarse, se requiere cierta cantidad de energía para romper esos pares. Sin embargo, la cantidad de energía puede ser diferente para los pares que se mueven en diferentes direcciones con respecto a la red cristalina. Como resultado, la "brecha" tiene una forma específica que está determinada por la probabilidad de que los pares se rompan por una cantidad particular de energía.

"Si bien los superconductores han existido durante mucho tiempo, una característica notablemente nueva en las bicapas y tricapas de grafeno trenzado es que la superconductividad en estos materiales se puede activar simplemente mediante la aplicación de un voltaje en un electrodo cercano", dice Nadj-Perge, corresponsal. autor de la Naturaleza papel. "Un campo eléctrico agrega o elimina efectivamente electrones adicionales. Funciona de manera muy similar a como se controla la corriente en los transistores convencionales, y esto nos permitió explorar la superconductividad de formas que no se pueden hacer en otros materiales".

El equipo estableció que en las tricapas retorcidas están presentes dos regímenes de superconductividad con perfiles de brecha superconductora de forma diferente. Si bien uno de los regímenes quizás pueda explicarse con una teoría que es hasta cierto punto similar a BCS, la presencia de dos regímenes muestra que dentro de la fase superconductora es probable que tenga lugar una transición adicional. Esta observación, junto con las medidas tomadas a varias temperaturas y campos magnéticos, apunta a la naturaleza poco convencional de la superconductividad en las tricapas.

Los nuevos conocimientos del equipo de Nadj-Perge brindan pistas esenciales para las futuras teorías de la superconductividad en multicapas de grafeno retorcido. Nadj-Perge señala que parece que más capas hacen que la superconductividad sea más robusta sin dejar de ser altamente sintonizable, una propiedad que abre varias posibilidades para usar tricapas retorcidas para dispositivos superconductores que algún día podrían usarse en la ciencia cuántica y quizás en el procesamiento de información cuántica.

"Además de sus implicaciones fundamentales para nuestra comprensión de la superconductividad, es notable que agregar una capa adicional de grafeno facilitó el estudio de las propiedades superconductoras. En última instancia, esto es lo que permitió nuestros hallazgos", dice Nadj-Perge.

El documento se titula "Evidencia de superconductividad no convencional en grafeno tricapa retorcido". + Explora más

El grafeno bicapa retorcido especialmente orientado alberga estados electrónicos topológicos