En una hazaña digna de un laboratorio concebido por J.K. Rowling, Los investigadores y colegas del MIT han convertido un material "mágico" compuesto de capas de carbono atómicamente delgadas en tres útiles dispositivos electrónicos. Normalmente, tales dispositivos, todo clave para la industria de la electrónica cuántica, se crean utilizando una variedad de materiales que requieren múltiples pasos de fabricación. El enfoque del MIT resuelve automáticamente una variedad de problemas asociados con esos procesos más complicados.

Como resultado, el trabajo podría marcar el comienzo de una nueva generación de dispositivos electrónicos cuánticos para aplicaciones que incluyen la computación cuántica. Más lejos, los dispositivos pueden ser superconductores, o conducir electricidad sin resistencia. Ellos lo hacen sin embargo, a través de un mecanismo poco convencional que, con más estudio, podría aportar nuevos conocimientos sobre la física de la superconductividad. Los investigadores informan sus resultados en el 3 de mayo, 2021 edición de Nanotecnología de la naturaleza .

"En este trabajo hemos demostrado que el grafeno de ángulo mágico es el más versátil de todos los materiales superconductores, permitiéndonos realizar en un solo sistema una multitud de dispositivos electrónicos cuánticos. Usando esta plataforma avanzada, hemos podido explorar por primera vez una novedosa física superconductora que solo aparece en dos dimensiones, "dice Pablo Jarillo-Herrero, el profesor de física Cecil e Ida Green en el MIT y líder del trabajo. Jarillo-Herrero también está afiliado al Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT.

Un ángulo mágico

El nuevo material "mágico" está basado en grafeno. El grafeno está compuesto por una sola capa de átomos de carbono dispuestos en hexágonos que se asemejan a una estructura de panal. Solo descubierto hace unos 17 años, tiene una variedad de propiedades asombrosas. Por ejemplo, es más fuerte que el diamante, transparente, y flexible. También conduce fácilmente tanto el calor como la electricidad.

En 2018, el grupo Jarillo-Herrero hizo un descubrimiento sorprendente que involucraba dos capas de grafeno, uno colocado encima del otro. Esas capas sin embargo, no estaban exactamente uno encima del otro; bastante, uno fue girado ligeramente en un "ángulo mágico" de 1,1 grados.

La estructura resultante permitió que el grafeno fuera un superconductor o un aislante (lo que evita el flujo de corriente eléctrica), dependiendo del número de electrones en el sistema proporcionado por un campo eléctrico. Esencialmente, el equipo pudo sintonizar el grafeno en estados completamente diferentes cambiando el voltaje al girar una perilla.

El material "mágico" general, formalmente conocido como grafeno bicapa retorcido de ángulo mágico (MATBG), ha generado un gran interés en la comunidad investigadora, incluso inspirando un nuevo campo (twistronics). También está en el corazón del trabajo actual.

En 2018 Jarillo-Herrero y sus compañeros de trabajo cambiaron el voltaje suministrado al material mágico a través de un solo electrodo, o portón metálico. En el trabajo actual, "Introdujimos múltiples puertas para someter diferentes áreas del material a diferentes campos eléctricos, "dice Daniel Rodan-Legrain, estudiante de posgrado en física y autor principal de la Nanotecnología de la naturaleza papel.

De repente, el equipo pudo sintonizar diferentes secciones del mismo material mágico en una plétora de estados electrónicos, de superconductor a aislante a algún punto intermedio. Luego, mediante la aplicación de puertas en diferentes configuraciones, pudieron reproducir todas las partes de un circuito electrónico que normalmente se crearían con materiales completamente diferentes.

Dispositivos de trabajo

Al final, el equipo utilizó este enfoque para crear tres dispositivos electrónicos cuánticos de trabajo diferentes. Estos dispositivos incluyen una unión Josephson, o interruptor superconductor. Las uniones de Josephson son los bloques de construcción de los bits cuánticos, o qubits, detrás de las computadoras cuánticas superconductoras. También tienen una variedad de otras aplicaciones, como la incorporación a dispositivos que pueden realizar mediciones muy precisas de campos magnéticos.

El equipo también creó dos dispositivos relacionados:un dispositivo de efecto túnel espectroscópico y un transistor de un solo electrón, o un dispositivo muy sensible para controlar el movimiento de la electricidad, literalmente, un electrón a la vez. El primero es clave para estudiar la superconductividad, mientras que este último tiene una variedad de aplicaciones, en parte debido a su extrema sensibilidad a los campos eléctricos.

Los tres dispositivos se benefician de estar hechos de un solo material eléctricamente sintonizable. Aquellos hechos convencionalmente, de múltiples materiales, Sufre de una variedad de desafíos. Por ejemplo, diferentes materiales pueden ser incompatibles. "Ahora, si se trata de un solo material, esos problemas desaparecen, "dice Rodan-Legrain.

William Oliver, un profesor asociado del MIT en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación que no participó en la investigación, dice:

"MATBG tiene la propiedad notable de que sus propiedades eléctricas, metálicas, superconductor, aislante, etc. - se puede determinar aplicando un voltaje a una puerta cercana. En este trabajo, Rodan-Legrain y col. han demostrado que pueden fabricar dispositivos bastante complicados que comprenden superconductores, normal, y regiones aislantes mediante compuerta eléctrica de una única escama de MATBG. El enfoque convencional sería fabricar el dispositivo en varios pasos utilizando diferentes materiales. Con MATBG, los dispositivos resultantes son completamente reconfigurables simplemente cambiando los voltajes de la puerta ".

Hacia el futuro

El trabajo descrito en el artículo de Nature Nanotechnology allana el camino para muchos posibles avances futuros. Por ejemplo, dice Rodan-Legrain, podría usarse para crear el primer qubit sintonizable por voltaje a partir de un solo material, que podría aplicarse en futuras computadoras cuánticas.

Además, porque el nuevo sistema permite estudios más detallados de la enigmática superconductividad en MATBG, y es relativamente fácil trabajar con él, el equipo tiene la esperanza de que pueda permitir información sobre la creación de superconductores de alta temperatura. Los superconductores actuales solo pueden funcionar a temperaturas muy bajas. "Esa es en realidad una de las grandes esperanzas [detrás de nuestro material mágico], ", dice Rodan-Legrain." ¿Podemos usarlo como una especie de piedra Rosetta "para comprender mejor a sus primos de alta temperatura?

En un vistazo a cómo funciona la ciencia, Rodan-Legrain describe las sorpresas que encontró el equipo mientras realizaba la investigación. Por ejemplo, algunos de los datos de los experimentos no se correspondían con las expectativas iniciales del equipo. Eso es porque las uniones de Josephson que crearon usando MATGB atómicamente delgadas eran bidimensionales, y por lo tanto tuvo un comportamiento notablemente diferente de sus contrapartes convencionales 3D. "Fue fantástico recibir los datos, viéndolos, estar desconcertado por ellos, y luego comprender y dar sentido a lo que vimos ".

Además de Jarillo-Herrero y Rodan-Legrain, los autores adicionales del artículo son Yuan Cao, un asociado postdoctoral en el Laboratorio de Investigación de Materiales (MRL) del MIT; Parque Jeong Min, estudiante de posgrado en el Departamento de Química; Sergio C. de la Barrera, un asociado postdoctoral en el MRL; Mallika T. Randeria, becario postdoctoral Pappalardo en el Departamento de Física; y Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi, ambos del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón. (Rodan-Legrain, Cao y Park contribuyeron por igual al artículo).