En la primavera de 2018, el sorprendente descubrimiento de la superconductividad en un nuevo material despertó el entusiasmo de la comunidad científica. Construido colocando una lámina de carbono sobre otra y girando la superior en un ángulo "mágico", el material permitió que los electrones fluyeran sin resistencia,un rasgo que podría aumentar drásticamente la transmisión de energía eficiente en energía y marcar el comienzo de una serie de nuevas tecnologías.
Ahora, nuevos experimentos realizados en Princeton dan pistas sobre cómo este material, conocido como grafeno retorcido de ángulo mágico, da lugar a la superconductividad. En el número de esta semana de la revista Naturaleza , los investigadores de Princeton proporcionan evidencia firme de que el comportamiento superconductor surge de interacciones fuertes entre electrones, lo que proporciona información sobre las reglas que los electrones siguen cuando emerge la superconductividad.
"Este es uno de los temas más candentes en física", dijo Ali Yazdani, profesor de física de la clase de 1909 y autor principal del estudio. "Este es un material increíblemente simple, solo dos láminas de carbono que se pegan"uno encima del otro, y muestra superconductividad "
Exactamente cómo surge la superconductividad es un misterio que los laboratorios de todo el mundo están luchando por resolver. El campo incluso tiene un nombre, "twistronics".
Parte de la emoción es que, en comparación con los superconductores existentes, el material es bastante fácil de estudiar, ya que solo tiene dos capas y solo un tipo de átomo: carbono.
"Lo principal de este nuevo material es que es un patio de recreo para todo este tipo de física en el que las personas han estado pensando durante los últimos 40 años", dijo B. Andrei Bernevig, profesor de física especializado en teorías para explicarmateriales complejos.
La superconductividad en el nuevo material parece funcionar mediante un mecanismo fundamentalmente diferente de los superconductores tradicionales, que hoy se usan en imanes potentes y otras aplicaciones limitadas. Este nuevo material tiene similitudes con los superconductores de alta temperatura a base de cobre descubiertos en la década de 1980llamado cupratos. El descubrimiento de los cupratos llevó al Premio Nobel de Física en 1987.
El nuevo material consta de dos láminas de carbono atómicamente delgadas conocidas como grafeno. También objeto de un Premio Nobel de Física, en 2010, el grafeno tiene un patrón de panal plano, como una lámina de alambre de pollo. En marzo de 2018, Pablo Jarillo-Herrero y su equipo en el Instituto de Tecnología de Massachusetts colocaron una segunda capa de grafeno encima de la primera, luego rotaron la lámina superior en un ángulo "mágico" de aproximadamente 1.1 grados. Este ángulo había sido predicho anteriormente por los físicos para causar nuevas interacciones electrónicas, pero fue un shock cuando los científicos del MIT demostraron superconductividad.
Visto desde arriba, los patrones de alambre de gallina superpuestos dan un efecto parpadeante conocido como "muaré", que surge cuando se superponen dos patrones geométricamente regulares, y que alguna vez fue popular en las telas y modas de la realeza de los siglos XVII y XVIII.
Estos patrones de moiré dan lugar a propiedades profundamente nuevas que no se ven en los materiales ordinarios. La mayoría de los materiales ordinarios caen en un espectro de aislante a conductor. Los aisladores atrapan electrones en bolsas de energía o niveles que los mantienen atrapados en su lugar, mientras que los metales contienen estados de energía quepermitir que los electrones vuelen de un átomo a otro. En ambos casos, los electrones ocupan diferentes niveles de energía y no interactúan ni se comportan de manera colectiva.
Sin embargo, en el grafeno retorcido, la estructura física de la red de muaré crea estados de energía que evitan que los electrones se mantengan separados, obligándolos a interactuar. "Está creando una condición en la que los electrones no pueden apartarse del camino del otro, yen cambio, todos tienen que estar en niveles de energía similares, lo cual es una condición primordial para crear estados altamente enredados ", dijo Yazdani.
La pregunta que abordaron los investigadores fue si este enredo tiene alguna conexión con su superconductividad. Muchos metales simples también son superconductores, pero todos los superconductores de alta temperatura descubiertos hasta la fecha, incluidos los cupratos, muestran estados altamente enredados causados por la repulsión mutua entre electrones.La fuerte interacción entre los electrones parece ser la clave para lograr una superconductividad a temperaturas más altas.
Para abordar esta pregunta, los investigadores de Princeton utilizaron un microscopio de túnel de barrido que es tan sensible que puede obtener imágenes de átomos individuales en una superficie. El equipo escaneó muestras de grafeno retorcido de ángulo mágico en el que controlaban la cantidad de electrones aplicando un voltajea un electrodo cercano. El estudio proporcionó información microscópica sobre el comportamiento de los electrones en el grafeno bicapa retorcido, mientras que la mayoría de los otros estudios hasta la fecha solo han monitoreado la conducción eléctrica macroscópica.
Al marcar el número de electrones a concentraciones muy bajas o muy altas, los investigadores observaron que los electrones se comportan de manera casi independiente, como lo harían en metales simples. Sin embargo, a la concentración crítica de electrones donde se descubrió la superconductividad en este sistema, los electrones de repentemuestra signos de fuerte interacción y enredo.
En la concentración donde surgió la superconductividad, el equipo descubrió que los niveles de energía de los electrones se volvieron inesperadamente amplios, señales que confirman una fuerte interacción y enredo. Aún así, Bernevig enfatizó que si bien estos experimentos abren la puerta a más estudios, se necesita hacer más trabajoentender en detalle el tipo de enredo que está ocurriendo.
"Todavía hay mucho que no sabemos sobre estos sistemas", dijo. "No estamos ni siquiera cerca de raspar la superficie de lo que se puede aprender a través de experimentos y modelos teóricos".
Los contribuyentes al estudio incluyeron a Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Japón; el estudiante graduado y primer autor Yonglong Xie, el becario de investigación postdoctoral Berthold Jäck, el asociado de investigación postdoctoral Xiaomeng Liu y el estudiante graduado Cheng-Li Chiu enGrupo de investigación de Yazdani; y Biao Lian en el grupo de investigación de Bernevig.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton . Original escrito por Catherine Zandonella. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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