El descubrimiento en 2018 de la superconductividad en dos capas de grafeno de un solo átomo de espesor apiladas en un ángulo preciso de 1,1 grados llamado grafeno bicapa retorcido de ángulo mágico fue una gran sorpresa para la comunidad científica. Desde el descubrimiento, los físicos han preguntado si la superconductividad del grafeno mágico se puede entender utilizando la teoría existente, o si se requieren enfoques fundamentalmente nuevos, como los que se están organizando para comprender el misterioso compuesto cerámico que se superconduce a altas temperaturas. Ahora, como se informa en la revista Naturaleza , los investigadores de Princeton han resuelto este debate al mostrar un parecido asombroso entre la superconductividad del grafeno mágico y la de los superconductores de alta temperatura. El grafeno mágico puede ser la clave para desbloquear nuevos mecanismos de superconductividad, incluida la superconductividad de alta temperatura.
Ali Yazdani, profesor de Física de 1909 y director del Centro de Materiales Complejos de la Universidad de Princeton dirigió la investigación. Él y su equipo han estudiado muchos tipos diferentes de superconductores a lo largo de los años y recientemente han centrado su atención en la bicapa mágica.grafeno.
"Algunos han argumentado que el grafeno bicapa mágico es en realidad un superconductor ordinario disfrazado de un material extraordinario", dijo Yazdani, "pero cuando lo examinamos microscópicamente tiene muchas de las características de los superconductores de cuprato de alta temperatura. Es un momento de déjà vu. "
La superconductividad es uno de los fenómenos más intrigantes de la naturaleza. Es un estado en el que los electrones fluyen libremente sin ninguna resistencia. Los electrones son partículas subatómicas que llevan cargas eléctricas negativas; son vitales para nuestra forma de vida porque alimentan nuestra electrónica cotidiana.En circunstancias normales, los electrones se comportan de manera errática, saltando y empujándose entre sí de una manera que en última instancia es ineficiente y desperdicia energía.
Pero bajo superconductividad, los electrones se emparejan repentinamente y comienzan a fluir al unísono, como una onda. En este estado, los electrones no solo no pierden energía, sino que también muestran muchas propiedades cuánticas novedosas. Estas propiedades han permitido una serie deaplicaciones prácticas, incluidos imanes para resonancias magnéticas y aceleradores de partículas, así como en la fabricación de bits cuánticos que se utilizan para construir computadoras cuánticas. La superconductividad se descubrió por primera vez a temperaturas extremadamente bajas en elementos como el aluminio y el niobio.se ha encontrado cerca de la temperatura ambiente bajo una presión extraordinariamente alta, y también a temperaturas justo por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido 77 grados Kelvin en los compuestos cerámicos.
Pero no todos los superconductores son iguales.
Los superconductores hechos de elementos puros como el aluminio son lo que los investigadores llaman convencionales. El estado superconductor, donde los electrones se emparejan, se explica mediante lo que se llama la teoría de Bardeen-Cooper-Schrieffer BCS. Esta ha sido la descripción estándarde superconductividad que ha existido desde finales de la década de 1950. Pero a partir de finales de la década de 1980 se descubrieron nuevos superconductores que no se ajustaban a la teoría BCS. Los más notables entre estos superconductores "no convencionales" son los óxidos de cobre cerámicos llamados cupratos que se han mantenido como unenigma durante los últimos treinta años.
El descubrimiento original de la superconductividad en el grafeno bicapa mágico por Pablo Jarillo-Herrero y su equipo en el Instituto de Tecnología de Massachusetts MIT mostró que el material comienza primero como un aislante pero, con una pequeña adición de portadores de carga, se vuelve superconductor..La aparición de superconductividad de un aislante, en lugar de un metal, es una de las características distintivas de muchos superconductores no convencionales, incluidos los más famosos, los cupratos.
"Sospechaban que la superconductividad podría ser poco convencional, como los cupratos, pero desafortunadamente no tenían ninguna medida experimental específica del estado superconductor para respaldar esta conclusión", dijo Myungchul Oh, investigador asociado postdoctoral y uno de los principales co-autores del artículo.
Para investigar las propiedades superconductoras del grafeno bicapa mágico, Oh y sus colegas utilizaron un microscopio de túnel de barrido STM para ver el mundo infinitesimalmente pequeño y complejo de los electrones. Este dispositivo se basa en un fenómeno novedoso llamado "túnel cuántico", donde los electronesse canalizan entre la punta metálica afilada del microscopio y la muestra. El microscopio utiliza esta corriente de efecto túnel en lugar de la luz para ver el mundo de los electrones en la escala atómica.
"STM es una herramienta perfecta para realizar este tipo de experimentos", dijo Kevin Nuckolls, estudiante de posgrado en física y uno de los coautores principales del artículo. "Hay muchas mediciones diferentes que puede realizar STM. Puede accedervariables que normalmente son inaccesibles para otras [técnicas experimentales] ".
Cuando el equipo analizó los datos, notaron dos características principales, o "firmas", que se destacaron, indicándoles que la muestra de grafeno bicapa mágica exhibía una superconductividad no convencional. La primera firma fue que los electrones emparejados que superconducen tienen unamomento angular finito, un comportamiento análogo al encontrado en los cupratos de alta temperatura hace veinte años. Cuando se forman pares en un superconductor convencional, no tienen un momento angular neto, de una manera análoga a un electrón unido al átomo de hidrógeno enel orbital s del hidrógeno.
STM opera tunelizando electrones dentro y fuera de la muestra. En un superconductor, donde todos los electrones están emparejados, la corriente entre la muestra y la punta del STM solo es posible cuando los pares del superconductor se rompen. "Se necesita energía para romperse.el par aparte, y la dependencia energética de esta corriente depende de la naturaleza del emparejamiento. En el grafeno mágico encontramos la dependencia energética que se espera para el emparejamiento de momento finito ", dijo Yazdani." Este hallazgo restringe fuertemente el mecanismo microscópico de emparejamiento engrafeno mágico. "
El equipo de Princeton también descubrió cómo se comporta el grafeno bicapa mágico cuando el estado superconductor se apaga aumentando la temperatura o aplicando un campo magnético. En los superconductores convencionales, el comportamiento del material es el mismo que el de un metal normal cuando se elimina la superconductividad.los electrones se desvinculan. Sin embargo, en los superconductores no convencionales, los electrones parecen retener cierta correlación incluso cuando no son superconductores, una situación que se manifiesta cuando hay aproximadamente un umbral de energía para eliminar electrones de la muestra. Los físicos se refieren a este umbral de energía como un "pseudogap, "un comportamiento que se encuentra en el estado no superconductor de muchos superconductores no convencionales. Su origen ha sido un misterio durante más de veinte años.
"Una posibilidad es que los electrones todavía estén algo emparejados aunque la muestra no sea superconductora", dijo Nuckolls. "Un estado de pseudogap es como un superconductor fallido".
La otra posibilidad, anotada en el Naturaleza el papel es que alguna otra forma de estado electrónico colectivo, que es responsable del pseudogap, debe formarse primero antes de que pueda ocurrir la superconductividad.
"De cualquier manera, la semejanza de una firma experimental de un peusdogap con los cupratos, así como el emparejamiento de impulso finito no puede ser una coincidencia", dijo Yazdani. "Estos problemas parecen estar muy relacionados".
La investigación futura, dijo Oh, implicará tratar de comprender qué causa que los electrones se emparejen en una superconductividad no convencional, un fenómeno que continúa molestando a los físicos. La teoría BCS se basa en una interacción débil entre los electrones y su emparejamiento es posible debido a su interacción mutua conLa vibración subyacente de los iones. Sin embargo, el emparejamiento de electrones en superconductores no convencionales es a menudo mucho más fuerte que en los metales simples, pero su causa, el "pegamento" que los une, actualmente se desconoce.
"Espero que nuestra investigación ayude a la comunidad de la física a comprender mejor la mecánica de la superconductividad no convencional", dijo Oh. Además, esperamos que nuestra investigación motive a los físicos experimentales a trabajar juntos para descubrir la naturaleza de este fenómeno ".
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