Físicos del MIT confirman superconductividad no convencional en grafeno de tres capas retorcido en ángulo mágico

Los investigadores han logrado un gran avance en el estudio de superconductores no convencionales, centrándose principalmente en el grafeno de tres capas retorcido en «ángulo mágico» (MATTG). Los superconductores son materiales que permiten que la corriente eléctrica fluya sin resistencia ni pérdida de energía, lo que los hace críticos en tecnologías como los escáneres de resonancia magnética y los aceleradores de partículas. Sin embargo, los superconductores tradicionales requieren temperaturas extremadamente bajas para funcionar, lo que requiere amplios mecanismos de enfriamiento.

El potencial de una nueva clase de superconductores que podrían funcionar a temperatura ambiente ha llevado a investigar superconductores no convencionales. En el MIT, los físicos han proporcionado evidencia directa de la superconductividad no convencional en MATTG, un material formado al apilar tres capas de grafeno en un ángulo preciso. Esta disposición única cambia las propiedades electrónicas del grafeno, lo que provoca efectos cuánticos inesperados.

En su reciente publicación en CienciaEl equipo del MIT detalló sus hallazgos, incluida la medición de la brecha superconductora en MATTG. Esta brecha revela la fuerza del estado superconductor a diferentes temperaturas y mostró un perfil claramente diferente en comparación con los superconductores convencionales. Según el coautor principal Shuwen Sun, comprender estas propiedades podría ser crucial en el desarrollo de materiales que algún día podrían alcanzar la superconductividad a temperatura ambiente.

Utilizando un nuevo sistema experimental de observación directa, los investigadores pretenden investigar más a fondo MATTG y otros materiales bidimensionales para identificar nuevos candidatos para aplicaciones tecnológicas avanzadas. Como señaló el autor principal Pablo Jarillo-Herrero, obtener una comprensión integral de un superconductor no convencional puede generar conocimientos que beneficien a todo el campo.

El concepto de «twistrónica» surgió de la investigación sobre el grafeno, una sola capa de átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal. Los investigadores especularon que un giro preciso en el apilamiento de las capas de grafeno podría producir nuevas propiedades electrónicas. En 2018, el equipo de Jarillo-Herrero fue el primero en realizar este ‘ángulo mágico’ del grafeno, lanzando un nuevo campo de investigación dedicado a investigar los sorprendentes efectos que surgen al torcer materiales ultrafinos.

La superconductividad se produce cuando los electrones se emparejan y forman los llamados «pares de Cooper». Estos pares permiten que la corriente eléctrica fluya sin resistencia. En MATTG, las observaciones iniciales indican que estos pares de electrones están más estrechamente unidos que los de los superconductores convencionales, lo que sugiere que está en juego un mecanismo fundamentalmente diferente.

Para confirmar la superconductividad no convencional de MATTG, los investigadores utilizaron espectroscopia de túnel, una técnica que permite investigar el comportamiento de los electrones a nivel cuántico. El equipo combinó eficazmente la espectroscopía de túnel con mediciones del transporte eléctrico, revelando cómo la corriente fluye y la resistencia cae a cero, un sello distintivo de la superconductividad. El equipo notó una curva distintiva en forma de V en la brecha superconductora de MATTG, un patrón que es diferente de las formas predecibles observadas en los superconductores tradicionales.

Los hallazgos sugieren que los pares de electrones en MATTG pueden ser el resultado de fuertes interacciones electrónicas en lugar de las fuerzas vibratorias típicamente responsables de los superconductores convencionales. Esta interacción única promueve un estado superconductor con una simetría excepcional.

En el futuro, el equipo de investigación del MIT planea ampliar su investigación para incluir otros materiales retorcidos y en capas. Su nuevo diseño podría mejorar significativamente nuestra comprensión de la superconductividad y conducir al diseño de superconductores y materiales cuánticos innovadores, revolucionando potencialmente tecnologías que incluyen sistemas energéticos más eficientes y computadoras cuánticas avanzadas.

Esta investigación innovadora recibió el apoyo de varias organizaciones, incluida la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU., la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU. y la Fundación Nacional de Ciencias, entre otras.