Los físicos del MIT han observado signos de un tipo raro de superconductividad en un material llamado grafeno de tres capas retorcidas de ángulo mágico. En un estudio que apareció en Naturaleza , los investigadores informan que el material exhibe superconductividad en campos magnéticos sorprendentemente altos de hasta 10 Tesla, que es tres veces más alto de lo que se predice que aguantaría el material si fuera un superconductor convencional.
Los resultados implican fuertemente que el grafeno de tres capas de ángulo mágico, que fue descubierto inicialmente por el mismo grupo, es un tipo muy raro de superconductor, conocido como "triplete de espín", que es impermeable a campos magnéticos altos. Tales superconductores exóticospodría mejorar enormemente tecnologías como la resonancia magnética, que utiliza cables superconductores bajo un campo magnético para resonar y obtener imágenes de tejido biológico. Las máquinas de resonancia magnética están actualmente limitadas a campos magnéticos de 1 a 3 Tesla. Si pudieran construirse con superconductores de triplete de espín, La resonancia magnética podría operar bajo campos magnéticos más altos para producir imágenes más nítidas y profundas del cuerpo humano.
La nueva evidencia de superconductividad de triplete de espines en el grafeno de tres capas también podría ayudar a los científicos a diseñar superconductores más fuertes para la computación cuántica práctica.
"El valor de este experimento es lo que nos enseña sobre la superconductividad fundamental, sobre cómo se pueden comportar los materiales, de modo que con esas lecciones aprendidas, podamos intentar diseñar principios para otros materiales que serían más fáciles de fabricar, que quizás podrían dares mejor la superconductividad ", dice Pablo Jarillo-Herrero, profesor de física de Cecil e Ida Green en el MIT.
Sus coautores del artículo incluyen al postdoctorado Yuan Cao y el estudiante de posgrado Jeong Min Park en el MIT, y Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Japón.
Cambio extraño
Los materiales superconductores se definen por su capacidad supereficiente para conducir electricidad sin perder energía. Cuando se exponen a una corriente eléctrica, los electrones de un superconductor se juntan en "pares de Cooper" que luego viajan a través del material sin resistencia, como pasajeros en untren expreso.
En una gran mayoría de superconductores, estos pares de pasajeros tienen giros opuestos, con un electrón girando hacia arriba y el otro hacia abajo, una configuración conocida como "spin-singlete". Estos pares pasan felizmente a través de un superconductor, excepto en altas temperaturas.campos magnéticos, que pueden desplazar la energía de cada electrón en direcciones opuestas, separando el par. De esta manera, y mediante mecanismos, los campos magnéticos elevados pueden descarrilar la superconductividad en los superconductores singlete de espín convencionales.
"Esa es la razón fundamental por la que en un campo magnético lo suficientemente grande, la superconductividad desaparece", dice Park.
Pero existe un puñado de superconductores exóticos que son impermeables a los campos magnéticos, hasta fuerzas muy grandes. Estos materiales se superconducen a través de pares de electrones con el mismo espín, una propiedad conocida como "triplete de espín".campos magnéticos, la energía de ambos electrones en un par de Cooper se desplaza en la misma dirección, de manera que no se separan sino que continúan superconductores sin perturbaciones, independientemente de la intensidad del campo magnético.
El grupo de Jarillo-Herrero tenía curiosidad por saber si el grafeno de tres capas de ángulo mágico podría albergar signos de esta superconductividad de triplete de espín más inusual. El equipo ha realizado un trabajo pionero en el estudio de las estructuras muaré de grafeno, capas de redes de carbono delgadas como átomos que,cuando se apilan en ángulos específicos, pueden dar lugar a comportamientos electrónicos sorprendentes.
Los investigadores informaron inicialmente propiedades tan curiosas en dos láminas de grafeno en ángulo, que denominaron grafeno de bicapa de ángulo mágico. Pronto siguieron con pruebas de grafeno de tres capas, una configuración de sándwich de tres láminas de grafeno que resultó ser incluso más fuerte quesu contraparte bicapa, conservando la superconductividad a temperaturas más altas. Cuando los investigadores aplicaron un campo magnético modesto, notaron que el grafeno de tres capas era capaz de superconducirse con intensidades de campo que destruirían la superconductividad en el grafeno de dos capas.
"Pensamos, esto es algo muy extraño", dice Jarillo-Herrero.
un súper regreso
En su nuevo estudio, los físicos probaron la superconductividad del grafeno de tres capas bajo campos magnéticos cada vez más altos. Fabricaron el material quitando capas delgadas de átomos de carbono de un bloque de grafito, apilando tres capas juntas y rotando la del medio en 1,56.grados con respecto a las capas externas. Colocaron un electrodo en cada extremo del material para hacer pasar una corriente y medir la energía perdida en el proceso. Luego, encendieron un gran imán en el laboratorio, con un campo que orientaron en paraleloal material.
A medida que aumentaron el campo magnético alrededor del grafeno de tres capas, observaron que la superconductividad se mantuvo fuerte hasta un punto antes de desaparecer, pero luego, curiosamente, reapareció con intensidades de campo más altas, una reaparición que es muy inusual y que no se sabe que ocurra en espín convencional.superconductores singlete.
"En los superconductores spin-singlete, si matas la superconductividad, nunca regresa, se ha ido para siempre", dice Cao. "Aquí, reapareció de nuevo. Así que esto definitivamente dice que este material no es spin-singlete".
También observaron que después del "reingreso", la superconductividad persistía hasta 10 Tesla, la intensidad de campo máxima que podía producir el imán del laboratorio. Esto es aproximadamente tres veces mayor de lo que debería soportar el superconductor si fuera un espín convencional.singlete, de acuerdo con el límite de Pauli, una teoría que predice el campo magnético máximo en el que un material puede retener superconductividad.
La reaparición de superconductividad del grafeno de tres capas, junto con su persistencia en campos magnéticos más altos de lo previsto, descarta la posibilidad de que el material sea un superconductor común y corriente. En cambio, es probable que sea un tipo muy raro, posiblemente un espín-triplet, que aloja pares de Cooper que se aceleran a través del material, impermeables a los campos magnéticos altos. El equipo planea profundizar en el material para confirmar su estado de giro exacto, lo que podría ayudar a informar el diseño de máquinas de resonancia magnética más potentes, y también másrobustas computadoras cuánticas.
"La computación cuántica regular es súper frágil", dice Jarillo-Herrero. "Lo miras y, puf, desaparece. Hace unos 20 años, los teóricos propusieron un tipo de superconductividad topológica que, si se realiza en cualquier material, podría [habilitar] una computadora cuántica donde los estados responsables de la computación son muy robustos. Eso daría infinitamente más poder para hacer computación. El ingrediente clave para darse cuenta de eso serían los superconductores de triplete de espín, de un cierto tipo. No tenemos idea de si nuestro tipo esde ese tipo. Pero incluso si no lo es, esto podría facilitar la colocación de grafeno de tres capas con otros materiales para diseñar ese tipo de superconductividad. Eso podría ser un gran avance. Pero aún es muy temprano ".
Esta investigación fue apoyada por el Departamento de Energía de EE. UU., La Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación Gordon y Betty Moore, la Fundación Ramon Areces y el Programa de Materiales Cuánticos CIFAR.
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