El MIT obra un nuevo milagro en superconductividad con un grafeno 'mágico'

Los superconductores son como los trenes expresos en un sistema de transporte ferroviario. Cualquier corriente eléctrica que atraviesa un material superconductor puede hacerlo a gran velocidad sin detenerse ni perder energía en el trayecto. Por ello, los superconductores son extremadamente eficientes energéticamente y se utilizan hoy en día para alimentar diversas aplicaciones, desde máquinas de resonancia magnética hasta aceleradores de partículas.

Sin embargo, estos superconductores 'convencionales' tienen ciertas limitaciones en cuanto a sus aplicaciones, ya que requieren sistemas de refrigeración complejos para alcanzar temperaturas ultrabajas y mantenerlos en su estado superconductor.

Si los superconductores pudieran funcionar a temperaturas más elevadas, similares a las de la temperatura ambiente, se abriría un nuevo mundo de tecnologías, desde cables de transmisión y redes eléctricas con cero pérdidas de energía hasta sistemas prácticos de computación cuántica.

Por ello, científicos del MIT y otras instituciones estudian superconductores «no convencionales»: materiales que presentan superconductividad de maneras distintas a las de los superconductores actuales y que, potencialmente, resultan más prometedoras.

Tres láminas

En un prometedor avance, físicos del MIT han informado sobre la observación de nuevas pruebas clave de superconductividad no convencional en el grafeno trilaminar retorcido de “ángulo mágico” (MATTG), un material que se fabrica apilando tres láminas de grafeno atómicamente delgadas en un ángulo o torsión específicos, que luego permiten que surjan propiedades exóticas.

En el pasado, el MATTG había mostrado indicios indirectos de superconductividad no convencional y otros comportamientos electrónicos anómalos. El nuevo descubrimiento, publicado en la revista Science, ofrece la confirmación más directa hasta la fecha de que el material presenta superconductividad no convencional.

En particular, el equipo logró medir la brecha superconductora del MATTG, una propiedad que describe la estabilidad del estado superconductor de un material a determinadas temperaturas. Descubrieron que la brecha superconductora del MATTG es muy diferente a la de un superconductor típico, lo que implica que el mecanismo por el cual el material se vuelve superconductor también debe ser diferente y poco convencional.

"Existen muchos mecanismos diferentes que pueden dar lugar a la superconductividad en los materiales", afirma Shuwen Sun, estudiante de posgrado del Departamento de Física del MIT y coautor principal del estudio. "La brecha superconductora nos da una pista sobre qué tipo de mecanismo puede conducir a fenómenos como los superconductores a temperatura ambiente, que en última instancia beneficiarán a la sociedad humana".

Nueva plataforma

Los investigadores realizaron su descubrimiento utilizando una nueva plataforma experimental que les permite, esencialmente, observar la brecha superconductora a medida que la superconductividad emerge en materiales bidimensionales, en tiempo real. Planean aplicar la plataforma para seguir investigando el MATTG y mapear la brecha superconductora en otros materiales 2D, un esfuerzo que podría revelar candidatos prometedores para futuras tecnologías.

"Comprender a fondo un superconductor no convencional puede impulsar nuestra comprensión del resto", afirma Pablo Jarillo-Herrero, catedrático Cecil e Ida Green de Física en el MIT y miembro del Laboratorio de Investigación en Electrónica. "Esta comprensión podría guiar el diseño de superconductores que funcionen a temperatura ambiente, por ejemplo, lo cual es, en cierto modo, el Santo Grial de todo este campo".

El otro coautor principal del estudio es Jeong Min Park PhD '24; Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón también son coautores.

"En los superconductores convencionales, los electrones de estos pares están muy alejados entre sí y débilmente ligados", explica Park. "Pero en el grafeno de ángulo mágico, ya podíamos observar indicios de que estos pares están muy fuertemente ligados, casi como una molécula. Había señales de que este material era muy diferente".

En su nuevo estudio, Jarillo-Herrero y sus colegas se propusieron observar y confirmar directamente la superconductividad no convencional en una estructura de grafeno de ángulo mágico. Para ello, debían medir la brecha superconductora del material.

"Cuando un material se vuelve superconductor, los electrones se mueven juntos en pares en lugar de individualmente, y existe una 'brecha' de energía que refleja cómo están ligados", explica Park. "La forma y la simetría de esa brecha nos indican la naturaleza subyacente de la superconductividad".

Efecto túnel

En su nuevo trabajo, Park y sus colegas desarrollaron una plataforma experimental que combina el efecto túnel de electrones con el transporte eléctrico, una técnica que se utiliza para medir la superconductividad de un material, haciendo pasar corriente a través de él y midiendo continuamente su resistencia eléctrica (una resistencia cero indica que un material se encuentra en un estado superconductor).

En los superconductores convencionales, los electrones se emparejan mediante vibraciones de la red atómica circundante, que efectivamente empujan las partículas entre sí. Pero Park sospecha que en MATTG podría estar operando un mecanismo diferente.

“En este sistema de grafeno de ángulo mágico, existen teorías que explican que el emparejamiento probablemente surge de fuertes interacciones electrónicas en lugar de vibraciones de la red cristalina”, afirma. “Eso significa que los propios electrones se ayudan mutuamente a emparejarse, formando un estado superconductor con una simetría especial”.

En adelante, el equipo probará otras estructuras y materiales bidimensionales retorcidos utilizando la nueva plataforma experimental.

“Esto nos permite identificar y estudiar las estructuras electrónicas subyacentes de la superconductividad y otras fases cuánticas a medida que se producen, dentro de la misma muestra”, afirma Park. “Esta visión directa puede revelar cómo los electrones se emparejan 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 financiada, en parte, 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 MIT/MTL Samsung, el Programa Puente Sagol WIS-MIT, la Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación Gordon y Betty Moore y la Fundación Ramón Areces.