Descubiertas propiedades sorprendentes del grafeno que abren la vía a nuevas aplicaciones

 

Autor: CRISTINA SÁEZ, BOSTON. Investigadores del Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) logran que adquiera nuevas cualidades inesperadas

Descubiertas propiedades sorprendentes del grafeno que abren la vía a nuevas aplicaciones
El dispositivo creado por los investigadores del IICFO, con la estructura de doble capa de grafeno girada con ángulo mágico en el centro. (ICFO)

A las asombrosas propiedades que ya se conocen del grafeno, un material de tan solo un átomo de espesor, muy ligero, resistente y flexible, a la vez que más duro que el acero y conductivo que el cobre, ahora se suman las que investigadores del Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) de Barcelona, liderados por Dmitri Efetov, acaban de descubrir; se trata de un conjunto de cualidades extraordinarias que, además de abrir la puerta a nuevas aplicaciones, como mejorar la eficiencia de la transmisión de energía, se enmarcan en un nuevo tipo de física, llamada de la materia condensada, muy rica y compleja, que aún no se comprende.

El descubrimiento, que recoge Nature, parte de un hallazgo realizado en 2018 por un equipo del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), con el físico valenciano Pablo Jarillo al frente. Entonces, los científicos dispusieron dos láminas de grafeno, una encima de otra, pero no perfectamente alineadas, sino una de ellas girada con un ‘ángulo mágico’ de 1,1º. En esa disposición, observaron que el grafeno era capaz de conducir electrones sin resistencia, lo que convertía este material bidimensional en un superconductor, capaz de transportar electricidad sin pérdidas.

Aquel logro, que también publicó Nature, marcó un hito en la física teórica, porque mostró que se podía dotar al grafeno de superconductividad a temperatura ambiente, una propiedad clave para lograr muchos objetivos tecnológicos, como sensores más sensibles u ordenadores cuánticos.

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Dos capas de grafeno superpuestas giradas con ángulo mágico, de 1,1 grados. (ICFO)

En este nuevo trabajo, los investigadores del ICFO han conseguido ir más allá: han mejorado la calidad del dispositivo en esta configuración -el ‘sándwich’ de grafeno- y al hacerlo, han hallado de forma inesperada nuevas propiedades.Así, además superconductividad no convencional y estados correlacionados aislantes, como descubrieron en el MIT, observaron nuevos estados topológicos, esenciales por ejemplo para mejorar el funcionamiento de los dispositivos electrónicos y fabricar electrónica de bajo coste, y magnéticos.

“Sus descubrimientos amplían la fenomenología de los dispositivos de ángulo mágico. Ahora hay que entender cuáles son las diferencias y por qué ocurre este comportamiento”, comenta a La Vanguardia Pablo Jarillo, investigador del MIT que acaba de ser reconocido esta misma semana por la Sociedad Americana de Física precisamente por su descubrimiento de la superconductividad en la bicapa de grafeno rotada con ángulo mágico.

“Sus descubrimientos amplían la fenomenología de los dispositivos de ángulo mágico. Ahora hay que entender cuáles son las diferencias y por qué ocurre este comportamiento”

PABLO JARILLO MIT
Una larga historia

Efetov y Jarillo se conocen desde hace más de una década. Ambos coincidieron primero en la Universidad de Columbia, cuando Efetov estudiaba el máster previo al doctorado y Jarillo era postdoc, y luego en el MIT, donde el físico del ICFO era investigador postdoc y el físico valenciano ya dirigía su laboratorio. Ambos investigaban cómo conseguir que el grafeno fuera superconductor y seis meses antes de que el grupo del MIT publicara su descubrimiento, Efetov se incorporó al ICFO para dirigir su propio laboratorio gracias la Fundació Cellex. Recientemente consiguió también una beca Junior Leader de La Caixa.

“Cuando vi los resultados del experimento de Pablo [Jarillo], me quedé muy impresionado. La idea de poder girar un material 1,1 grados y que mágicamente se convierta en superconductor es una locura. Nunca hubiera imaginado una forma tan interesante de producir esta propiedad. Y quise verlo con mis propios ojos”, explica a La Vanguardia el físico del ICFO, quien decidió replicar el experimento, un procedimiento habitual en ciencia para validar los resultados de un estudio.

“La idea de poder girar un material 1,1 grados y que mágicamente se convierta en superconductor es una locura”

DIMITRI EFETOV ICFO
Al plantear el experimento, los investigadores del ICFO se percataron de que el dispositivo del MIT -las dos capas de grafeno superpuestas- estaban algo ‘desordenadas’. Es decir, que el ángulo de rotación de 1,1 grados no se cumplía en toda la muestra, sino que había pequeñas variaciones. Para entender esas variaciones, podemos imaginar el grafeno como el plástico transparente que usamos para proteger la pantalla de los móviles o las tabletas; con frecuencia, al engancharlo aparecen burbujas de aire.

Eso mismo ocurre en el proceso de fabricación de las láminas de grafeno, en el que se atrapan también ‘burbujas’. “Eso implica que la muestra no será homogénea y que el ángulo de rotación alrededor de cada una de las burbujas cambiará”, apunta Efetov.

Los investigadores del ICFO resolvieron este escollo mejorando el proceso de nanofabricación de las capas de grafeno: aplicaron un proceso mecánico similar a pasar una plancha, como las de planchar la ropa, para retirar las burbujas hacia los lados. De esta forma, lograron hacer dispositivos más limpios y homogéneos, “con los que podemos observar más física”, señala Efetov. Luego, observaron como, aplicando distintas cargas al dispositivo, podían pasar de un estado a otro en un mismo sistema de forma sencilla.

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Los investigadores del ICFO Xiaobo Lu (lzda) y Dmitri Efetov. (ICFO)

“No esperábamos hallar tantos estados diferentes simplemente ajustando la puerta eléctrica. Ha sido totalmente inesperado y por el momento, no comprendemos qué pasa”, confiesa Efetov, que prosigue que ahora “podemos, por primera vez, comenzar a profundizar en el mundo microscópico y manipular los sistemas para ver qué pasa y comenzar así a comprender y encontrar modelos que puedan explicarlo”.

“El descubrimiento inicial que hicimos nosotros abrió un nuevo campo de la física de la materia condensada, que es de estas estructuras que se forman cuando giras una capa cristalina con respecto a otra”, puntualiza Jarillo. Aunque la superconductividad y los estados aislantes correlacionados ya se habían observado en otros sistemas físicos, nunca se había pensado que en grafeno fuera posible. “Este nuevo experimento de Efetov reproduce parte de los resultados que nuestro grupo y otros habían obtenido y, además, logran nuevos resultados. Ahora hay que hacer más investigación para saber cómo funciona”.

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Ilustración artística del grafeno bicapa rotado y el zoológico de diferentes estados de la materia que se han descubierto. (ICFO/ F. Vialla)

Potenciales aplicaciones

Aunque está aún lejos de tener aplicaciones directas, los investigadores creen que de llegar a entender bien el fenómeno de la superconductividad no convencional, se podría utilizar para fabricar ordenadores cuánticos, como el presentado por Google esta semana. También permitirían mejorar tremendamente la eficiencia del transporte de energía; en la actualidad buena parte de la electricidad se pierde en forma de calor al pasar por los cables. Los superconductores, en cambio, serían un conductor perfecto.

Otra posible aplicación, apunta Efetov, son los sensores cuánticos, que serían capaces de notar campos electromagnéticos muy pequeños; “usando esta aproximación hemos demostrado que podemos hacer un detector de un solo fotón usando este dispositivo de grafeno rotado con ángulo mágico. Creemos que podría ser un mejor sensor cuántico que la tradicional tecnología y podría ser una verdadera revolución en este tipo de aplicaciones para ordenadores cuánticos”.

https://www.lavanguardia.com/ciencia/20191030/471293407445/grafeno-nuevas-propiedades-superconductor-icfo.html#yusp

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