En 2018, Los físicos demostraron que sucede algo interesante cuando se colocan dos hojas del nanomaterial grafeno una encima de la otra. Cuando una capa se gira a un "ángulo mágico" de alrededor de 1,1 grados con respecto a la otra, el sistema se convierte en un superconductor, lo que significa que conduce electricidad sin resistencia. Aún más emocionante, había evidencia de que era una forma poco convencional de superconductividad, un tipo que puede ocurrir a temperaturas muy por encima del cero absoluto, donde funcionan la mayoría de los materiales superconductores.

Desde el descubrimiento inicial, Los investigadores han estado trabajando para comprender este exótico estado de la materia. Ahora, Un equipo de investigación dirigido por físicos de la Universidad de Brown ha encontrado una nueva forma de investigar con precisión la naturaleza del estado superconductor en el grafeno de ángulo mágico. La técnica permite a los investigadores manipular la fuerza repulsiva entre elecciones (la interacción de Coulomb) en el sistema. En un estudio publicado en la revista Ciencias , los investigadores muestran que la superconductividad de ángulo mágico se vuelve más robusta cuando se reduce la interacción de Coulomb, un dato importante para comprender cómo funciona este superconductor.

"Esta es la primera vez que alguien ha demostrado que se puede manipular directamente la fuerza de la interacción de Coulomb en un sistema electrónico fuertemente correlacionado, "dijo Jia Li, profesor asistente de física en Brown y autor correspondiente de la investigación. "La superconductividad es impulsada por las interacciones entre electrones, así que cuando podamos manipular esa interacción, nos dice algo realmente importante sobre ese sistema. En este caso, demostrar que la interacción de Coulomb más débil fortalece la superconductividad proporciona una nueva limitación teórica importante en este sistema ".

El hallazgo original de 2018 de una superconductividad potencialmente no convencional en el grafeno de ángulo mágico generó un interés significativo en la comunidad física. El grafeno, láminas de carbono de un átomo de espesor, es un material relativamente simple. Si realmente admitiera una superconductividad no convencional, La simplicidad del grafeno lo convertiría en un lugar ideal para explorar cómo funciona el fenómeno, Dice Li.

"Los superconductores no convencionales son emocionantes debido a su alta temperatura de transición y sus aplicaciones potenciales en computadoras cuánticas, redes eléctricas sin pérdidas y en otros lugares, "Dijo Li." Pero todavía no tenemos una teoría microscópica de cómo funcionan. Es por eso que todos estaban tan emocionados cuando algo que parecía una superconductividad poco convencional estaba sucediendo en el grafeno de ángulo mágico. Su composición química simple y su capacidad de ajuste en el ángulo de giro prometen una imagen más clara ".

La superconductividad convencional fue explicada por primera vez en la década de 1950 por un grupo de físicos que incluía al profesor de Brown y ganador del premio Nobel Leon Cooper. Demostraron que los electrones en un superconductor distorsionan la red atómica de un material de una manera que hace que los electrones formen dúos cuánticos llamados pares de Cooper. que son capaces de moverse a través de ese material sin obstáculos. En superconductores no convencionales, los pares de electrones se forman de una manera que se cree que es un poco diferente del mecanismo de Cooper, pero los científicos aún no saben cuál es ese mecanismo.

Para este nuevo estudio, Li y sus colegas idearon una forma de utilizar la interacción de Coulomb para sondear el emparejamiento de electrones en el grafeno de ángulo mágico. El emparejamiento de Cooper bloquea los electrones a una distancia específica entre sí. Ese emparejamiento compite con la interacción de Coulomb, que está tratando de separar los electrones. Si fuera posible debilitar la interacción de Coulomb, Los pares de Cooper deberían, en teoría, estar más fuertemente acoplados, haciendo que el estado superconductor sea más robusto. Eso proporcionaría pistas sobre si el mecanismo de Cooper estaba sucediendo en el sistema.

Para manipular la interacción de Coulomb para este estudio, los investigadores construyeron un dispositivo que acerca una hoja de grafeno de ángulo mágico muy cerca de otro tipo de hoja de grafeno llamada bicapa de Bernal. Debido a que las dos capas son tan delgadas y tan juntas, los electrones en la muestra del ángulo mágico se atraen ligeramente hacia las regiones cargadas positivamente en la capa de Bernal. Esa atracción entre capas debilita efectivamente la interacción de Coulomb que se siente entre los electrones dentro de la muestra del ángulo mágico, un fenómeno que los investigadores denominan cribado de Coulomb.

Un atributo de la capa de Bernal lo hizo particularmente útil en esta investigación. La capa de Bernal se puede cambiar entre un conductor y un aislante alterando un voltaje aplicado perpendicularmente a la capa. El efecto de apantallamiento de Coulomb solo ocurre cuando la capa de Bernal está en la fase conductora. Entonces, al cambiar entre conducción y aislamiento y observar los cambios correspondientes en la superconductividad, los investigadores pudieron asegurar que lo que estaban viendo se debía a la detección de Coulomb.

El trabajo mostró que la fase superconductora se hizo más fuerte cuando se debilitó la interacción de Coulomb. La temperatura a la que se rompió la fase se hizo más alta, y era más robusto a los campos magnéticos, que interrumpen los superconductores.

"Ver este efecto Coulomb en este material fue un poco sorprendente, ", Dijo Li." Es de esperar que esto suceda en un superconductor convencional, sin embargo, hay mucha evidencia que sugiere que el grafeno de ángulo mágico es un superconductor no convencional. Por tanto, cualquier teoría microscópica de esta fase superconductora deberá tener en cuenta esta información ".

Li dijo que los resultados son un crédito para Xiaoxue Liu, investigador postdoctoral en Brown y autor principal del estudio, quien construyó el dispositivo que hizo posible los hallazgos.

"Nadie ha construido nada como esto antes, "Dijo Li." Todo tenía que ser increíblemente preciso hasta la escala nanométrica, desde el ángulo de torsión del grafeno hasta el espacio entre capas. Xiaoxue realmente hizo un trabajo increíble. También nos beneficiamos de la orientación teórica de Oskar Vafek, un físico teórico de la Universidad Estatal de Florida ".

Si bien este estudio proporciona una nueva información crítica sobre el grafeno de ángulo mágico, hay mucho más que la técnica podría revelar. Por ejemplo, este primer estudio solo analizó una parte del espacio de fase para la superconductividad de ángulo mágico. Es posible, Li dice:que el comportamiento de la fase superconductora varía en diferentes partes del espacio de fase, y más investigaciones lo revelarán.

"La capacidad de filtrar la interacción de Coulomb nos da una nueva perilla experimental para ayudar a comprender estos fenómenos cuánticos, "Li dijo." Este método se puede utilizar con cualquier material bidimensional, así que creo que este método será útil para ayudar a diseñar nuevos tipos de materiales ".