El grafeno de ángulo mágico es un material multifuncional increíble, fácilmente sintonizable entre un conjunto diverso de fases cuánticas al cambiar su temperatura, campo magnético y densidad electrónica. Aquí, los investigadores han descubierto firmas esenciales de su fase superconductora no convencional (amarillo), que conduce la electricidad con resistencia cero y pérdida de energía cero, y su régimen pseudogap previamente desconocido (azul), un precursor aparentemente necesario de la superconductividad. Crédito:Laboratorio Yazdani, Universidad de Princeton
El descubrimiento en 2018 de la superconductividad en dos capas de grafeno de un solo átomo de espesor apiladas en un ángulo preciso de 1,1 grados (llamado grafeno bicapa retorcido de ángulo "mágico") fue una gran sorpresa para la comunidad científica. Desde el descubrimiento, los físicos se han preguntado si la superconductividad mágica del grafeno se puede entender utilizando la teoría existente o si se requieren enfoques fundamentalmente nuevos, como los que se están organizando para comprender el misterioso compuesto cerámico que superconduce a altas temperaturas. Ahora, como se informa en la revista Nature , Los investigadores de Princeton han resuelto este debate al mostrar un extraño parecido entre la superconductividad del grafeno mágico y la de los superconductores de alta temperatura. El grafeno mágico puede ser la clave para desbloquear nuevos mecanismos de superconductividad, incluida la superconductividad a alta temperatura.
Ali Yazdani, profesor de física de la promoción de 1909 y director del Centro de Materiales Complejos de la Universidad de Princeton, dirigió la investigación. Él y su equipo han estudiado muchos tipos diferentes de superconductores a lo largo de los años y recientemente han centrado su atención en el grafeno bicapa mágico.
"Algunos han argumentado que el grafeno bicapa mágico es en realidad un superconductor ordinario disfrazado de un material extraordinario", dijo Yazdani, "pero cuando lo examinamos microscópicamente, tiene muchas de las características de los superconductores de cuprato de alta temperatura. Es un momento de déjà vu".
La superconductividad es uno de los fenómenos más intrigantes de la naturaleza. Es un estado en el que los electrones fluyen libremente sin ninguna resistencia. Los electrones son partículas subatómicas que llevan cargas eléctricas negativas; son vitales para nuestra forma de vida porque alimentan nuestros dispositivos electrónicos cotidianos. En circunstancias normales, los electrones se comportan de manera errática, saltando y empujándose unos contra otros de una manera que en última instancia es ineficiente y desperdicia energía.
Pero bajo la superconductividad, los electrones se emparejan repentinamente y comienzan a fluir al unísono, como una onda. En este estado, los electrones no solo no pierden energía, sino que también muestran muchas propiedades cuánticas novedosas. Estas propiedades han permitido una serie de aplicaciones prácticas, incluidos imanes para resonancias magnéticas y aceleradores de partículas, así como en la fabricación de bits cuánticos que se utilizan para construir computadoras cuánticas. La superconductividad se descubrió por primera vez a temperaturas extremadamente bajas en elementos como el aluminio y el niobio. En los últimos años, se ha encontrado cerca de la temperatura ambiente bajo una presión extraordinariamente alta, y también a temperaturas justo por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido (77 grados Kelvin) en compuestos cerámicos.
Pero no todos los superconductores son iguales.
Los superconductores hechos de elementos puros como el aluminio son lo que los investigadores llaman convencionales. El estado superconductor, donde los electrones se emparejan, se explica por lo que se llama la teoría de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS). Esta ha sido la descripción estándar de la superconductividad que ha existido desde finales de la década de 1950. Pero a finales de la década de 1980 se descubrieron nuevos superconductores que no se ajustaban a la teoría BCS. Los más notables entre estos superconductores "no convencionales" son los óxidos de cobre cerámicos (llamados cupratos) que han permanecido como un enigma durante los últimos treinta años.
El descubrimiento original de la superconductividad en el grafeno bicapa mágico por parte de Pablo Jarillo-Herrero y su equipo del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) mostró que el material comienza primero como aislante pero, con una pequeña adición de portadores de carga, se convierte en superconductor. La aparición de la superconductividad a partir de un aislante, en lugar de un metal, es una de las características de muchos superconductores no convencionales, incluidos los más famosos, los cupratos.
"Sospechaban que la superconductividad podría ser poco convencional, como los cupratos, pero desafortunadamente no tenían ninguna medida experimental específica del estado superconductor para respaldar esta conclusión", dijo Myungchul Oh, investigador asociado postdoctoral y uno de los coautores principales de el papel.
Para investigar las propiedades superconductoras del grafeno bicapa mágico, Oh y sus colegas utilizaron un microscopio de túnel de barrido (STM) para ver el mundo infinitesimalmente pequeño y complejo de los electrones. Este dispositivo se basa en un fenómeno novedoso llamado "tunelización cuántica", en el que los electrones se canalizan entre la punta metálica afilada del microscopio y la muestra. El microscopio utiliza esta corriente de efecto túnel en lugar de la luz para ver el mundo de los electrones a escala atómica.
"STM es una herramienta perfecta para hacer este tipo de experimentos", dijo Kevin Nuckolls, estudiante graduado en física y uno de los coautores principales del artículo. "Hay muchas medidas diferentes que STM puede hacer. Puede acceder a variables físicas que normalmente son inaccesibles para otras [técnicas experimentales]".
Cuando el equipo analizó los datos, notaron dos características principales, o "firmas", que se destacaron, lo que les indicó que la muestra mágica de grafeno bicapa exhibía una superconductividad no convencional. La primera firma fue que los electrones emparejados que superconducen tienen un momento angular finito, un comportamiento análogo al encontrado en los cupratos de alta temperatura hace veinte años. Cuando se forman pares en un superconductor convencional, no tienen un momento angular neto, de manera análoga a un electrón unido al átomo de hidrógeno en el orbital s del hidrógeno.
STM opera haciendo un túnel de electrones dentro y fuera de la muestra. En un superconductor, donde todos los electrones están emparejados, la corriente entre la muestra y la punta STM solo es posible cuando los pares del superconductor están separados. "Se necesita energía para separar el par, y la dependencia energética de esta corriente depende de la naturaleza del emparejamiento. En el grafeno mágico encontramos la dependencia energética que se espera para el emparejamiento de momento finito", dijo Yazdani. "Este hallazgo restringe fuertemente el mecanismo microscópico de emparejamiento en el grafeno mágico".
El equipo de Princeton también descubrió cómo se comporta el grafeno bicapa mágico cuando el estado superconductor se extingue aumentando la temperatura o aplicando un campo magnético. En los superconductores convencionales, el comportamiento del material es el mismo que el de un metal normal cuando se elimina la superconductividad:los electrones se desaparean. Sin embargo, en los superconductores no convencionales, los electrones parecen mantener cierta correlación incluso cuando no son superconductores, una situación que se manifiesta cuando existe aproximadamente un umbral de energía para eliminar electrones de la muestra. Los físicos se refieren a este umbral de energía como un "pseudogap", un comportamiento que se encuentra en el estado no superconductor de muchos superconductores no convencionales. Su origen ha sido un misterio durante más de veinte años.
"Una posibilidad es que los electrones todavía estén emparejados aunque la muestra no sea superconductora", dijo Nuckolls. "Tal estado de pseudobrecha es como un superconductor fallado".
La otra posibilidad, señalada en la Naturaleza papel, es que alguna otra forma de estado electrónico colectivo, que es responsable de la pseudobrecha, debe formarse primero antes de que pueda ocurrir la superconductividad.
"De cualquier manera, el parecido de una firma experimental de un peusdogap con los cupratos, así como el emparejamiento de momento finito, no puede ser una coincidencia", dijo Yazdani. "Estos problemas parecen estar muy relacionados".
La investigación futura, dijo Oh, implicará tratar de comprender qué causa que los electrones se emparejen en la superconductividad no convencional, un fenómeno que continúa desconcertando a los físicos. La teoría BCS se basa en la interacción débil entre los electrones y su emparejamiento es posible debido a su interacción mutua con la vibración subyacente de los iones. Sin embargo, el emparejamiento de electrones en los superconductores no convencionales suele ser mucho más fuerte que en los metales simples, pero actualmente se desconoce su causa, el "pegamento" que los une.
"Espero que nuestra investigación ayude a la comunidad física a comprender mejor la mecánica de la superconductividad no convencional", dijo Oh. "Esperamos además que nuestra investigación motive a los físicos experimentales a trabajar juntos para descubrir la naturaleza de este fenómeno".
El estudio, "Evidence for Unconventional Superconductivity in Twisted Bilayer Graphene", se publicó el 20 de octubre de 2021 en la revista Nature . La investigación encuentra una sorprendente interacción de electrones en el grafeno de "ángulo mágico"
