Los superconductores actúan como trenes expresos de electricidad. Una vez que la corriente eléctrica ingresa a uno, puede viajar sin resistencia ni pérdida de energía. Debido a esta extraordinaria eficiencia, los superconductores ya son clave para tecnologías como los escáneres de resonancia magnética y los aceleradores de partículas.
Sin embargo, estos superconductores “convencionales” sólo funcionan a temperaturas extremadamente frías. Deben mantenerse en sistemas de refrigeración especiales para permanecer en su estado superconductor. Si los materiales pueden ser superconductores a temperaturas más cálidas y prácticas, podrían transformar la tecnología moderna, desde la construcción de redes eléctricas que no desperdicien energía hasta permitir computadoras cuánticas más eficientes. Para alcanzar ese objetivo, investigadores del MIT y otras instituciones están explorando superconductores “no convencionales”, materiales que desafían las reglas tradicionales y podrían conducir al próximo gran avance.
El descubrimiento del MIT del grafeno de ángulo mágico
En un paso importante, los físicos del MIT han observado evidencia clara de superconductividad no convencional en el grafeno de tres capas retorcido en “ángulo mágico” (MATTG). Este material único se fabrica apilando tres láminas de grafeno del grosor de un átomo en un ángulo muy específico. Este pequeño giro cambia drásticamente las propiedades del material, dando lugar a extraños y prometedores efectos cuánticos.
Aunque estudios previos indicaban que MATTG podría albergar superconductividad no convencional, se han publicado nuevos resultados cienciaOfrece la confirmación más directa hasta la fecha.
Una nueva mirada a la brecha superconductora
El equipo del MIT midió con éxito la brecha superconductora de MATTG, que indica qué tan fuerte es el estado superconductor de un material a diferentes temperaturas. Descubrieron que la brecha en MATTG es completamente diferente de lo que se ve en los superconductores convencionales. Esta diferencia sugiere que la forma en que MATTG se vuelve superconductor depende de un mecanismo distinto y no convencional.
“Hay muchos procesos diferentes que pueden conducir a la superconductividad en los materiales”, explicó el coautor principal Shuven Sun, estudiante de posgrado en el Departamento de Física del MIT.
El equipo hizo el descubrimiento con un nuevo sistema experimental que les permite observar directamente cómo se forman huecos superconductores en materiales bidimensionales. Planean utilizar la técnica para estudiar MATTG y otros materiales 2D con más detalle, con la esperanza de identificar nuevos candidatos para una tecnología mejorada.
“Comprender muy bien un superconductor no convencional puede abrir la puerta para comprender al resto de nosotros”, dijo Pablo Jarrillo-Herrero, profesor de física en el MIT y autor principal del estudio. “Esta comprensión puede guiar el diseño de superconductores que funcionen a temperatura ambiente, por ejemplo, lo que es como el santo grial de todo el campo”.
Origen de la Twistrónica
El grafeno está hecho de una sola capa de átomos de carbono dispuestos en un patrón hexagonal que parece un alambre delgado. Los científicos pueden pelar una hoja de grafeno del grafito (el mismo material que la mina de un lápiz) para estudiar sus propiedades. En la década de 2010, los investigadores predijeron que apilar dos capas de grafeno en ángulos muy precisos podría crear nuevos comportamientos electrónicos.
En 2018, el grupo de Jarillo-Herrero produjo experimentalmente este grafeno llamado “ángulo mágico” y reveló sus notables propiedades. Este trabajo lanzó un nuevo campo de investigación conocido como “twisttronics”, que estudia los efectos sorprendentes que ocurren cuando se apilan y retuercen materiales ultrafinos en la orientación correcta. Desde entonces, el equipo y otros han explorado diferentes tipos de estructuras de grafeno con múltiples capas, que revelan más signos de superconductividad no convencional.
¿Cómo cooperan los electrones?
La superconductividad ocurre cuando los electrones se emparejan en lugar de dispersarse al atravesar un material. Este par de electrones, conocidos como “pares de Cooper”, pueden viajar sin resistencia, creando una corriente perfecta.
“En los superconductores convencionales, estos pares de electrones están muy separados y débilmente unidos”, dijo el coautor principal Jeong Min Park PhD ’24. “Pero en el grafeno de ángulo mágico, ya pudimos ver la firma de que estos pares están muy unidos, casi como una molécula. Había indicios de que había algo muy diferente en este material”.
Explorando el mundo cuántico a través de túneles
Para demostrar que MATTG efectivamente exhibe una superconductividad no convencional, los investigadores del MIT necesitan medir directamente su brecha superconductora. Como explica Park, “cuando un material se vuelve superconductor, los electrones se mueven juntos como pares en lugar de individualmente, y hay una ‘brecha’ de energía que refleja cómo están unidos. La forma y simetría de esa brecha nos dice la naturaleza subyacente de la superconductividad”.
Para ello, los científicos utilizaron una técnica de escala cuántica conocida como espectroscopia de túneles. En este nivel, los electrones actúan como partículas y como ondas, lo que les permite atravesar barreras que normalmente los detendrían. Al estudiar la facilidad con la que los electrones pueden atravesar un material, los investigadores pueden aprender qué tan estrechamente unidos están dentro de él. Sin embargo, los resultados de la construcción de túneles por sí solos no siempre prueban que un material sea superconductor, lo que hace que las mediciones directas sean importantes y desafiantes.
Una mirada más cercana a la brecha superconductora
El equipo de Park desarrolló una nueva plataforma que combina la espectroscopia de túneles con mediciones de transporte eléctrico, que implican rastrear cómo fluye la corriente a través de la resistencia de un material (resistencia cero significa que es superconductor).
Usando este método en MATTG, los investigadores pudieron identificar claramente la brecha del túnel superconductor: apareció solo cuando el material alcanzó resistencia cero, el signo definitorio de superconductividad. A medida que cambian la temperatura y el campo magnético, la brecha exhibe una curva pronunciada en forma de V, muy diferente del patrón plano y suave de los superconductores convencionales.
Esta inusual forma de V indica un nuevo mecanismo detrás de la superconductividad de MATTG. Aunque aún se desconoce el mecanismo exacto, ahora está claro que este material se comporta de manera diferente a cualquier superconductor convencional descubierto anteriormente.
Un tipo diferente de emparejamiento de electrones
En la mayoría de los superconductores, los electrones están emparejados debido a las vibraciones de la red atómica circundante, que los empujan entre sí. Park cree que MATTG funciona de manera diferente.
“En este sistema de grafeno de ángulo mágico, hay teorías que explican que el emparejamiento probablemente surge de fuertes interacciones electrónicas en lugar de vibraciones de la red”, dice. “Esto significa que los propios electrones se ayudan a emparejarse entre sí, creando un estado superconductor con una simetría especial”.
El camino a seguir: materiales cuánticos de próxima generación
El equipo del MIT planea aplicar su nueva configuración experimental para estudiar otros materiales retorcidos y en capas.
“Esto nos permite identificar y estudiar la estructura electrónica subyacente a la superconductividad y otras fases cuánticas dentro de la misma muestra”, explica Park. “Esta visión directa podría revelar cómo los electrones se asocian y compiten con otros estados, allanando el camino para diseñar y controlar nuevos superconductores y materiales cuánticos que algún día podrían impulsar tecnologías más eficientes o computadoras cuánticas”.
Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU., la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU., el Fondo de Investigación de Semiconductores Samsung del MIT/MTL, el Programa Puente Sagol WIS-MIT, la Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación Gordon y Betty Moore y la Fundación Ramón Areces.
