Los investigadores de ETH Zurich han logrado convertir escamas de grafeno especialmente preparadas en aislantes o en superconductores aplicando un voltaje eléctrico. Esta técnica incluso funciona a nivel local, lo que significa que en las mismas regiones de escamas de grafeno con propiedades físicas completamente diferentes se pueden realizar una al lado de la otra.

La producción de componentes electrónicos modernos requiere materiales con propiedades muy diversas. Hay aisladores por ejemplo, que no conducen corriente eléctrica, y superconductores que lo transportan sin pérdidas. Para obtener una funcionalidad particular de un componente, normalmente se deben unir varios de estos materiales. A menudo eso no es fácil, en particular cuando se trata de nanoestructuras de uso generalizado en la actualidad. Un equipo de investigadores de ETH Zurich dirigido por Klaus Ensslin y Thomas Ihn en el Laboratorio de Física del Estado Sólido ahora ha logrado que un material se comporte alternativamente como aislante o como superconductor, o incluso como ambos en diferentes ubicaciones en el mismo material. simplemente aplicando un voltaje eléctrico. Sus resultados han sido publicados en la revista científica Nanotecnología de la naturaleza . El trabajo fue apoyado por el Centro Nacional de Competencia en Investigación QSIT (Ciencia y Tecnología Cuántica).

Grafeno con un ángulo mágico

El material que utilizan Ensslin y sus compañeros de trabajo lleva el nombre algo engorroso "Grafeno bicapa retorcido con ángulo mágico". De hecho, este nombre esconde algo bastante simple y conocido, a saber, carbono, aunque en una forma particular y con un toque especial. El punto de partida del material son las escamas de grafeno, que son capas de carbono que tienen solo un átomo de espesor. Los investigadores colocaron dos de esas capas una encima de la otra de tal manera que sus ejes de cristal no sean paralelos, sino que haga un "ángulo mágico" de exactamente 1,06 grados. "Eso es bastante complicado, y también necesitamos controlar con precisión la temperatura de las escamas durante la producción. Como resultado, a menudo sale mal "explica Peter Rickhaus, que participó en los experimentos como postdoctorado.

En el veinte por ciento de los intentos, sin embargo, funciona, y las redes de cristal atómico de las escamas de grafeno crean un patrón llamado muaré en el que los electrones del material se comportan de manera diferente que en el grafeno ordinario. Los patrones de muaré son familiares en la televisión, por ejemplo, donde la interacción entre una prenda estampada y las líneas de exploración de la imagen de televisión puede dar lugar a efectos ópticos interesantes. En la parte superior de las escamas de grafeno del ángulo mágico, los investigadores colocan varios electrodos adicionales que pueden usar para aplicar un voltaje eléctrico al material. Cuando luego enfrían todo a unas pocas centésimas de grado por encima del cero absoluto, sucede algo extraordinario. Dependiendo del voltaje aplicado, las escamas de grafeno se comportan de dos formas completamente opuestas:como superconductor o como aislante. Esta superconductividad conmutable ya se demostró en 2018 en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) en los EE. UU. Incluso hoy en día, solo unos pocos grupos en todo el mundo pueden producir tales muestras.

Aislante y superconductor del mismo material

Ensslin y sus colegas ahora van un paso más allá. Al aplicar diferentes voltajes a los electrodos individuales, convierten el grafeno del ángulo mágico en un aislante en un solo lugar, pero unos cientos de nanómetros a un lado se convierte en un superconductor.

"Cuando vimos eso, obviamente, primero intentamos realizar un cruce de Josephson, "dice Fokko de Vries, quien también es un postdoctorado en el laboratorio Ensslins. En tales uniones, dos superconductores están separados por una capa aislante fina como una oblea. De este modo, la corriente no puede fluir directamente entre los dos superconductores, sino que tiene que hacer un túnel cuántico a través del aislante. Ese, Sucesivamente, hace que la conductividad del contacto varíe en función de la corriente de una manera característica, dependiendo de si se utiliza corriente continua o alterna.

Posibles aplicaciones en tecnologías cuánticas

Los investigadores de ETH lograron producir una unión de Josephson dentro de las escamas de grafeno retorcidas por el ángulo mágico usando diferentes voltajes aplicados a los tres electrodos. y también para medir sus propiedades. "Ahora que eso también ha funcionado, podemos probar nuestras manos en dispositivos más complejos como SQUIDs, ", dice de Vries. En SQUIDs (" dispositivo superconductor de interferencia cuántica ") dos uniones Josephson están conectadas para formar un anillo. Las aplicaciones prácticas de tales dispositivos incluyen mediciones de campos magnéticos diminutos, pero también tecnologías modernas como las computadoras cuánticas. Para posibles usos en computadoras cuánticas, Un aspecto interesante es que con la ayuda de los electrodos las escamas de grafeno se pueden convertir no solo en aislantes y superconductores, sino también en imanes o en los denominados aislantes topológicos, en el que la corriente solo puede fluir en una dirección a lo largo del borde del material. Esto podría aprovecharse para realizar diferentes tipos de bits cuánticos (qubits) en un solo dispositivo.

Un teclado para materiales

"Hasta aquí, sin embargo, eso es solo especulación, "Dice Ensslin. Aún así, está entusiasmado con las posibilidades que surgen del control eléctrico incluso ahora. "Con los electrodos, prácticamente podemos tocar el piano en el grafeno ". Entre otras cosas, los físicos esperan que esto les ayude a obtener nuevos conocimientos sobre los mecanismos detallados que provocan la superconductividad en el grafeno del ángulo mágico.