Ciencias

Los investigadores crean una superconductividad ajustable en un gráfico retorcido de tres capas con un ángulo mágico

Cuando dos capas de grafeno se apilan exactamente en el ángulo correcto, la estructura de la capa se convierte en un superconductor poco convencional, lo que permite que las corrientes eléctricas fluyan sin resistencia ni desperdicio de energía. Esta transformación de “ángulo mágico” en gráficos de dos capas se observó por primera vez en 2018 en el grupo de Pablo Jarillo-Herrero en MIT. Desde entonces, los científicos han buscado otros materiales que se puedan torcer de manera similar en superconductividad, pero en su mayor parte ningún otro material retorcido ha mostrado superconductividad que no sea el gráfico original de dos capas torcidas.

Ilustraciones del apilamiento A-Tw-A (a) y el apilamiento A-Tw-B (b). Imagen de la naturaleza

En un artículo reciente, Jarillo-Herrero y su grupo informaron de la observación de superconductividad en un sándwich de tres capas de grafeno con la capa intermedia retorcida en un nuevo ángulo con respecto a las capas externas. Esta nueva configuración de tres capas presenta una superconductividad que es más robusta que su contraparte de doble capa.

Los investigadores también pueden ajustar la superconductividad de la estructura aplicando y variando la fuerza de un campo eléctrico externo. Al ajustar la estructura de tres capas, los investigadores pudieron crear una superconductividad de acoplamiento ultra fuerte, un tipo exótico de comportamiento eléctrico que no se observó en ningún otro material.

“No estaba claro si la representación gráfica de doble ángulo desde ángulos mágicos era algo extraordinario, pero ahora sabemos que no está solo. Tiene un primo en el caso de tres capas ”, dice Jarillo-Herrero. «El descubrimiento de este superconductor hiperconductor amplía el campo Twistronics en direcciones completamente nuevas y ofrece aplicaciones potenciales en información cuántica y tecnología de sensores».

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Poco después de que Jarillo-Herrero y sus colegas descubrieron que se podía generar superconductividad en el grafeno retorcido de dos capas, los teóricos sugirieron que el mismo fenómeno podría ocurrir en tres o más capas de grafeno.

Los teóricos sugirieron que si se apilaran tres capas de grafeno como un sándwich y la capa intermedia se girara 1,56 grados desde las capas exteriores, la configuración retorcida crearía algún tipo de simetría que estimularía a los electrones del material a unirse para emparejarse y a par fluir sin resistencia – la marca registrada de la superconductividad.

«Pensamos por qué no, probémoslo y probemos esta idea», dice Jarillo-Herrero.

Los coautores del MIT, Jeong Min Park y Yuan Cao, desarrollaron estructuras de grafeno de tres capas cortando con cuidado una capa fina de grafeno en tres secciones y apilando cada sección en los ángulos predichos por los teóricos.

Formaron varias estructuras de tres capas, cada una de unos pocos micrómetros de diámetro (aproximadamente 1/100 del diámetro de un cabello humano) y tres átomos de alto.

«Nuestra estructura es un nanosandwich», dice Jarillo-Herrero.

Luego, el equipo colocó electrodos en ambos extremos de las estructuras y pasó una corriente eléctrica a través de ellos mientras medía la cantidad de energía que se perdió o disipó en el material.

“Vimos que no se utilizó energía, lo que significa que es un superconductor”, dice Jarillo-Herrero. «Tenemos que dar crédito a los teóricos: han encontrado el ángulo correcto».

Agrega que la causa exacta de la superconductividad de la estructura, ya sea debido a su simetría, como lo sugieren los teóricos o no, está por verse y será probada por investigadores en experimentos futuros.

«En este momento tenemos una correlación, no una causa», dice. «Ahora tenemos al menos una forma de explorar potencialmente una gran familia de nuevos superconductores basados ​​en esta idea de simetría».

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Al examinar su nueva estructura de tres capas, el equipo descubrió que la superconductividad se podía controlar de dos formas. Con su diseño anterior de doble capa, los investigadores pudieron ajustar su superconductividad aplicando un voltaje de puerta externa para cambiar la cantidad de electrones que fluyen a través del material. Mientras subían y bajaban el voltaje de la puerta, midieron la temperatura crítica a la que el material dejaba de disipar energía y se volvía superconductor. De esta manera, el equipo pudo activar y desactivar la superconductividad del grafeno de dos capas, como un transistor.

El equipo utilizó el mismo método para ajustar el gráfico de tres capas. También descubrieron una segunda forma de controlar la superconductividad del material que no era posible en el grafeno de dos capas y otras estructuras retorcidas. Con la ayuda de un electrodo adicional, los investigadores pudieron aplicar un campo eléctrico para cambiar la distribución de electrones entre las tres capas de la estructura sin cambiar la densidad de electrones general de la estructura.

«Estos dos reguladores independientes ahora nos brindan mucha información sobre las condiciones bajo las cuales ocurre la superconductividad y brindan información sobre la física clave que es crítica para la formación de un estado superconductor tan inusual», dice Park.

Usando ambos métodos para ajustar la estructura de tres capas, el equipo observó superconductividad en varias condiciones, incluida una temperatura crítica relativamente alta de 3 Kelvin, incluso si el material tenía una baja densidad de electrones. En comparación, el aluminio, que se está investigando como superconductor para la computación cuántica, tiene una densidad de electrones mucho más alta y solo se vuelve superconductor alrededor de 1 Kelvin.

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«Descubrimos que el grafeno de tres capas de ángulo mágico puede ser el superconductor acoplado más fuertemente, lo que significa que es superconductor a una temperatura relativamente alta considerando los pocos electrones que puede tener», dice Jarillo-Herrero. «Hay el mayor beneficio por su inversión».

«El trabajo es un paso significativo en la complejidad estructural de un sistema Twistronic que puede reproducirse fielmente en múltiples muestras», dice David Goldhaber-Gordon, profesor de física en la Universidad de Stanford, que no participó en el estudio. “Esta complejidad estructural no solo se persigue por sí misma, sino que debería hacer que el efecto de las interacciones electrónicas sea sintonizable. Las aplicaciones de estructuras multicapa tan sofisticadas probablemente se encontrarán en la ciencia de la información cuántica, donde será importante un control exquisito de la estructura electrónica. «

Los investigadores planean hacer estructuras de grafeno retorcidas con más de tres capas para determinar si tales configuraciones con densidades de electrones más altas pueden exhibir superconductividad a temperaturas más altas, incluso cuando se acercan a la temperatura ambiente.

«Nuestro principal objetivo es descubrir la naturaleza básica de lo que subyace a una superconductividad fuertemente acoplada», dice Park. “El grafeno de tres capas no solo es el superconductor más fuertemente acoplado jamás encontrado, sino también el más sintonizable. Con esta capacidad de sintonización, realmente podemos explorar la superconductividad en cualquier lugar del espacio de fase. «

Además de Jarillo-Herrero, los coautores de este trabajo fueron el autor principal Jeong Min Park y Yuan Cao en el MIT, y Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Japón.

Rocío Penalver

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