Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Laboratorio de Berkeley) del Departamento de Energía de EE. UU. Han desarrollado un dispositivo de grafeno que es más delgado que un cabello humano pero tiene una profundidad de rasgos especiales. Cambia fácilmente de un material superconductor que conduce la electricidad sin perder energía, a un aislante que resiste el flujo de corriente eléctrica, y de nuevo a un superconductor, todo con un simple toque de un interruptor. Sus hallazgos fueron publicados hoy en la revista. Naturaleza .

"Generalmente, cuando alguien quiere estudiar cómo los electrones interactúan entre sí en una fase cuántica superconductora frente a una fase aislante, tendrían que mirar diferentes materiales. Con nuestro sistema, puede estudiar tanto la fase de superconductividad como la fase de aislamiento en un solo lugar, "dijo Guorui Chen, autor principal del estudio e investigador postdoctoral en el laboratorio de Feng Wang, quien dirigió el estudio. Wang, un científico de la facultad en la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab, también es profesor de física de UC Berkeley.

El dispositivo de grafeno está compuesto por tres capas de grafeno atómicamente delgadas (2-D). Cuando se intercala entre capas bidimensionales de nitruro de boro, forma un patrón repetido llamado superrejilla muaré. El material podría ayudar a otros científicos a comprender la complicada mecánica detrás de un fenómeno conocido como superconductividad de alta temperatura. donde un material puede conducir electricidad sin resistencia a temperaturas más altas de lo esperado, aunque todavía cientos de grados bajo cero.

En un estudio anterior, los investigadores informaron haber observado las propiedades de un aislante Mott en un dispositivo hecho de grafeno de tres capas. Un aislante Mott es una clase de material que de alguna manera deja de conducir electricidad a cientos de grados bajo cero a pesar de que la teoría clásica predice la conductividad eléctrica. Pero durante mucho tiempo se ha creído que un aislante Mott puede volverse superconductor al agregar más electrones o cargas positivas para hacerlo superconductor. Chen explicó.

Durante los últimos 10 años, Los investigadores han estado estudiando formas de combinar diferentes materiales 2-D, a menudo comenzando con grafeno, un material conocido por su capacidad para conducir eficientemente el calor y la electricidad. Fuera de este cuerpo de trabajo otros investigadores habían descubierto que las superredes de muaré formadas con grafeno exhiben una física exótica como la superconductividad cuando las capas están alineadas en el ángulo correcto.

"Así que para este estudio nos preguntamos:'Si nuestro sistema de grafeno de tres capas es un aislante Mott, ¿Podría ser también un superconductor? '”, dijo Chen.

Abriendo la puerta a un nuevo mundo de física

Trabajando con David Goldhaber-Gordon de la Universidad de Stanford y el Instituto de Stanford para las Ciencias de los Materiales y la Energía en el Laboratorio Nacional de Aceleración de SLAC, y Yuanbo Zhang de la Universidad de Fudan, los investigadores usaron un refrigerador de dilución, que puede alcanzar temperaturas intensamente frías de 40 milikelvins, o casi menos 460 grados Fahrenheit, para enfriar el dispositivo de grafeno / nitruro de boro a una temperatura a la que los investigadores esperaban que apareciera una superconductividad cerca de la fase aislante de Mott, dijo Chen.

Una vez que el dispositivo alcanzó una temperatura de 4 kelvins (menos 452 grados Fahrenheit), los investigadores aplicaron una gama de voltajes eléctricos a las pequeñas puertas superior e inferior del dispositivo. Como esperaban, cuando aplicaron un alto campo eléctrico vertical a las puertas superior e inferior, un electrón llenaba cada celda del dispositivo de grafeno / nitruro de boro. Esto hizo que los electrones se estabilizaran y permanecieran en su lugar, y esta "localización" de electrones convirtió el dispositivo en un aislante Mott.

Luego, aplicaron un voltaje eléctrico aún mayor a las puertas. Para su deleite, una segunda lectura indicó que los electrones ya no eran estables. En lugar de, estaban viajando, moviéndose de celda en celda, y conducción de electricidad sin pérdida ni resistencia. En otras palabras, el dispositivo había pasado de la fase del aislante Mott a la fase superconductora.

Chen explicó que la superrejilla de nitruro de boro muaré de alguna manera aumenta las interacciones electrón-electrón que tienen lugar cuando se aplica un voltaje eléctrico al dispositivo, un efecto que activa su fase superconductora. También es reversible:cuando se aplica un voltaje eléctrico más bajo a las puertas, el dispositivo vuelve a un estado de aislamiento.

El dispositivo multitarea ofrece a los científicos una pequeña patio de juegos versátil para estudiar la exquisita interacción entre átomos y electrones en nuevos y exóticos materiales superconductores con uso potencial en computadoras cuánticas:computadoras que almacenan y manipulan información en qubits, que son típicamente partículas subatómicas como electrones o fotones, así como nuevos materiales aislantes Mott que algún día podrían hacer realidad los diminutos transistores Mott 2-D para microelectrónica.

"Este resultado fue muy emocionante para nosotros. Nunca imaginamos que el dispositivo de grafeno / nitruro de boro funcionaría tan bien, ", Dijo Chen." Puedes estudiar casi todo con él, desde partículas individuales hasta superconductividad. Es el mejor sistema que conozco para estudiar nuevos tipos de física, "Dijo Chen.

Este estudio fue apoyado por el Center for Novel Pathways to Quantum Coherence in Materials (NPQC), un Centro de Investigación Energy Frontier dirigido por Berkeley Lab y financiado por la Oficina de Ciencias del DOE. NPQC reúne a investigadores en Berkeley Lab, Laboratorio Nacional Argonne, Universidad de Colombia, y UC Santa Barbara para estudiar cómo la coherencia cuántica subyace a fenómenos inesperados en nuevos materiales como el grafeno de tres capas, con miras a usos futuros en la ciencia y tecnología de la información cuántica.