Es difícil creer que un solo material pueda describirse con tantos superlativos como el grafeno. Desde su descubrimiento en 2004, los científicos han descubierto que el encaje, La hoja de átomos de carbono en forma de panal, esencialmente el raspado de mina de lápiz más microscópico que pueda imaginar, no es solo el material más delgado conocido en el mundo, pero también increíblemente ligero y flexible, cientos de veces más fuerte que el acero, y más conductor de electricidad que el cobre.

Ahora, físicos del MIT y de la Universidad de Harvard han descubierto que el maravilloso material puede exhibir propiedades electrónicas aún más curiosas. En dos artículos publicados hoy en Naturaleza , el equipo informa que puede ajustar el grafeno para que se comporte en dos extremos eléctricos:como aislante, en el que los electrones están completamente bloqueados para que no fluyan; y como superconductor, en el que la corriente eléctrica puede fluir sin resistencia.

Investigadores del pasado, incluido este equipo, han podido sintetizar superconductores de grafeno colocando el material en contacto con otros metales superconductores, una disposición que permite que el grafeno herede algunos comportamientos superconductores. En esta época, el equipo encontró una manera de crear un superconducto de grafeno por sí solo, demostrando que la superconductividad puede ser una cualidad intrínseca en el material puramente a base de carbono.

Los físicos lograron esto mediante la creación de una "superrejilla" de dos hojas de grafeno apiladas juntas, no precisamente una encima de la otra, pero girado muy levemente, en un "ángulo mágico" de 1,1 grados. Como resultado, la superposición, El patrón de panal hexagonal está ligeramente compensado, creando una configuración de muaré precisa que se predice que inducirá extraños, "interacciones fuertemente correlacionadas" entre los electrones en las hojas de grafeno. En cualquier otra configuración apilada, el grafeno prefiere permanecer distinto, interactuando muy poco, electrónicamente o de otro modo, con sus capas vecinas.

El equipo, dirigido por Pablo Jarillo-Herrero, profesor asociado de física en el MIT, descubrió que cuando se gira en el ángulo mágico, las dos hojas de grafeno exhiben un comportamiento no conductor, similar a una clase exótica de materiales conocidos como aislantes Mott. Cuando los investigadores aplicaron voltaje, añadiendo pequeñas cantidades de electrones a la superrejilla de grafeno, ellos encontraron que, en un cierto nivel, los electrones salieron del estado aislante inicial y fluyeron sin resistencia, como a través de un superconductor.

"Ahora podemos usar el grafeno como una nueva plataforma para investigar la superconductividad no convencional, ", Dice Jarillo-Herrero." Uno también puede imaginarse haciendo un transistor superconductor con grafeno, que puedes encender y apagar, de superconductor a aislante. Eso abre muchas posibilidades para los dispositivos cuánticos ".

Una brecha de 30 años

La capacidad de un material para conducir electricidad normalmente se representa en términos de bandas de energía. Una sola banda representa un rango de energías que pueden tener los electrones de un material. Hay una brecha de energía entre las bandas, y cuando se llena una banda, un electrón debe incorporar energía extra para superar esta brecha, para ocupar la siguiente banda vacía.

Un material se considera aislante si la última banda de energía ocupada está completamente llena de electrones. Conductores eléctricos como metales, por otra parte, exhiben bandas de energía parcialmente llenas, con estados de energía vacíos que los electrones pueden llenar para moverse libremente.

Aisladores Mott, sin embargo, son una clase de materiales que aparecen a partir de su estructura de bandas para conducir la electricidad, pero cuando se mide, se comportan como aislantes. Específicamente, sus bandas de energía están medio llenas, pero debido a fuertes interacciones electrostáticas entre electrones (como cargas de igual signo que se repelen entre sí), el material no es conductor de electricidad. La banda medio llena esencialmente se divide en dos miniaturas, bandas casi planas, con electrones ocupando completamente una banda y dejando la otra vacía, y por tanto comportarse como un aislante.

"Esto significa que todos los electrones están bloqueados, por lo que es un aislante debido a esta fuerte repulsión entre los electrones, para que nada pueda fluir, Jarillo-Herrero explica. ¿Por qué son importantes los aislantes Mott? Resulta que el compuesto original de la mayoría de los superconductores de alta temperatura es un aislante Mott ".

En otras palabras, Los científicos han encontrado formas de manipular las propiedades electrónicas de los aisladores Mott para convertirlos en superconductores. a temperaturas relativamente altas de aproximadamente 100 Kelvin. Para hacer esto, ellos "dopan" químicamente el material con oxígeno, cuyos átomos atraen electrones fuera del aislante Mott, dejando más espacio para que fluyan los electrones restantes. Cuando se agrega suficiente oxígeno, el aislante se transforma en un superconductor. ¿Cómo ocurre exactamente esta transición? Jarillo-Herrero dice, ha sido un misterio de 30 años.

"Este es un problema que lleva 30 años y contando, no resuelto, ", Dice Jarillo-Herrero." Estos superconductores de alta temperatura han sido estudiados hasta la muerte, y tienen muchos comportamientos interesantes. Pero no sabemos cómo explicarlos ".

Una rotación precisa

Jarillo-Herrero y sus colegas buscaron una plataforma más simple para estudiar una física tan poco convencional. Al estudiar las propiedades electrónicas del grafeno, el equipo comenzó a jugar con simples pilas de hojas de grafeno. Los investigadores crearon superredes de dos hojas exfoliando primero una sola escama de grafeno a partir de grafito, luego recoja con cuidado la mitad de la escama con un portaobjetos de vidrio recubierto con un polímero pegajoso y un material aislante de nitruro de boro.

Luego giraron el portaobjetos de vidrio muy ligeramente y recogieron la segunda mitad de la escama de grafeno, adhiriéndolo a la primera mitad. De este modo, crearon una superrejilla con un patrón de desplazamiento que es distinto de la celosía de panal de abeja original del grafeno.

El equipo repitió este experimento, creando varios "dispositivos, "o superredes de grafeno, con varios ángulos de rotación, entre 0 y 3 grados. Conectaron electrodos a cada dispositivo y midieron la corriente eléctrica que pasaba, luego trazó la resistencia del dispositivo, dada la cantidad de corriente original que pasó.

"Si tiene una diferencia de 0,2 grados en su ángulo de rotación, toda la física se ha ido, "Dice Jarillo-Herrero." No aparece superconductividad ni aislante Mott. Por lo tanto, debe ser muy preciso con el ángulo de alineación ".

A 1,1 grados, una rotación que se ha predicho que es un "ángulo mágico", los investigadores encontraron que la superrejilla de grafeno se parecía electrónicamente a una estructura de banda plana. similar a un aislante Mott, en el que todos los electrones transportan la misma energía independientemente de su impulso.

"Imagina que el impulso de un automóvil es la masa multiplicada por la velocidad, ", Dice Jarillo-Herrero." Si conduce a 30 millas por hora, tienes una cierta cantidad de energía cinética. Si conduce a 60 millas por hora, tienes mucha más energía, y si te estrellas, podría deformar un objeto mucho más grande. Esta cosa está diciendo no importa si recorre 30, 60 o 100 millas por hora, todos tendrían la misma energía ".

"Actual gratis"

Para electrones, esto significa que, incluso si están ocupando una banda de energía medio llena, un electrón no tiene más energía que cualquier otro electrón, para permitirle moverse en esa banda. Por lo tanto, a pesar de que una estructura de banda medio llena debería actuar como un conductor, en cambio, se comporta como un aislante, y más precisamente, un aislante Mott.

Esto le dio al equipo una idea:¿y si pudieran agregar electrones a estas superredes tipo Mott, similar a cómo los científicos doparon los aislantes Mott con oxígeno para convertirlos en superconductores? ¿Asumiría el grafeno cualidades superconductoras a su vez?

Descubrir, aplicaron un voltaje de puerta pequeña a la "superrejilla de grafeno de ángulo mágico, "agregando pequeñas cantidades de electrones a la estructura. Como resultado, electrones individuales unidos con otros electrones en el grafeno, permitiéndoles fluir donde antes no podían. A lo largo de, los investigadores continuaron midiendo la resistencia eléctrica del material, y descubrió que cuando agregaron un cierto, pequeña cantidad de electrones, la corriente eléctrica fluía sin disipar energía, como un superconductor.

"Puede hacer fluir corriente de forma gratuita, sin desperdicio de energía, y esto muestra que el grafeno puede ser un superconductor, "Dice Jarillo-Herrero.

Quizás lo más importante, dice que los investigadores pueden sintonizar el grafeno para que se comporte como un aislante o un superconductor, y cualquier fase intermedia, exhibiendo todas estas propiedades diversas en un solo dispositivo. Esto contrasta con otros métodos, en el que los científicos han tenido que cultivar y manipular cientos de cristales individuales, cada uno de los cuales puede comportarse en una sola fase electrónica.

"Generalmente, tienes que cultivar diferentes clases de materiales para explorar cada fase, ", Dice Jarillo-Herrero." Estamos haciendo esto in situ, de una sola vez, en un dispositivo puramente de carbono. Podemos explorar toda esa física en un dispositivo eléctricamente, en lugar de tener que fabricar cientos de dispositivos. No podría ser más sencillo ".