Sorpresa mayúscula: el grafeno bicapa con ángulo mágico es superconductor

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El origen de la superconductividad de alta temperatura crítica (h-Tc) es uno de los grandes misterios del siglo XXI. Cupratos y pnicturos son materiales formados por capas planas, por ello, los avances en superconductividad de materiales planos, como el grafeno, allanan el camino hacia su solución. Dos artículos publicados en Nature, ambos liderados por el joven español Pablo Jarillo-Herrero, observan que dos capas de grafeno superpuestas con un ángulo de 1,1º son superconductoras con temperatura crítica de 1,7 kelvin (−271,5 ºC). ¿Por qué a este ángulo mágico y no a otro? Aún no lo sabemos, pero en los próximos meses se publicarán cientos de artículos experimentales y teóricos que auguran avances revolucionarios. Quizás esta ingente actividad investigadora nos ofrezca el grial más deseado, el secreto que nos lleve hacia los superconductores a temperatura ambiente.

El récord de temperatura crítica a presión atmosférica es de 134 K (muy por encima de los 1,7 K). Sin embargo, parece que la superconductividad en el grafeno bicapa con ángulo mágico no tiene explicación usando la teoría BCS para la superconductividad convencional (en la que los electrones forman parejas, pares de Cooper, gracias a la interacción con los fonones, vibraciones de los iones del material). Más aún, parece mostrar ciertas características observadas en los cupratos superconductores h-Tc (como un estado aislante de Mott). Como el grafeno bicapa es muy fácil de estudiar por métodos teóricos, ya que solo son dos hojas de carbono de grosor monoatómico, si el origen de la superconductividad en cupratos fuese el mismo habrá importantes avances proximos. Quizás el secreto de la superconductividad h-Tc se desvele gracias a este descubrimiento.

Por supuesto, que se haya publicado en sendos artículos en Nature no quita que haya que confirmar de forma independiente estas observaciones. El año 2018 promete ser el año del grafeno bicapa con ángulo mágico superconductor. Los dos artículos son Yuan Cao, Valla Fatemi, …, Pablo Jarillo-Herrero, “Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices,” Nature (05 Mar 2018), doi: 10.1038/nature26160 [link], y Yuan Cao, Valla Fatemi, …, Pablo Jarillo-Herrero, “Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices,” Nature (05 Mar 2018), doi: 10.1038/nature26154 [link]. Más información divulgativa en Eugene J. Mele, “Novel electronic states seen in graphene,” News & Views, Nature, 05 Mar 2018, y Elizabeth Gibney, “Surprise graphene discovery could unlock secrets of superconductivity,” News, Nature, 05 Mar 2018.

Por cierto, Pablo Jarillo-Herrero es profesor en el MIT (Cambridge, Massachusetts, EEUU). Se licenció en Ciencias Físicas en 1999 en la Universidad de Valencia (España) y obtuvo su doctorado en 2005 en la Universidad Técnica de Delft (Países Bajos). Si se confirma la revolución en ciernes que augura la superconductividad del grafeno bicapa con ángulo mágico, este joven físico se convertirá en uno de los candidatos españoles más firmes al Premio Nobel de Física. Quizás suene a exageración, pero permíteme que sueñe con ello.

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La conductividad del grafeno bicapa depende del ángulo entre las dos hojas; para ángulos pequeños aparece un patrón de moiré en la bicapa, una estructura hexagonal efectiva con una celda unidad mucho mayor que en el grafeno monocapa. En este material efectivo los electrones se mueven entre capas con energías de cientos de milielectrónvoltios, cuando dentro de cada capa se mueven con energías de electrónvoltios. Gracias a ello aparecen estados fuertemente correlacionados de los electrones entre ambas capas.

Para el ángulo mágico, Jarillo-Herrero y sus colegas han observado que al añadir un pequeño número de portadores al grafeno bicapa se pasa de un estado tipo aislante de Mott (cuyo origen es la repulsión mutua entre los electrones) a un estado superconductor (cuyo origen es la atracción mutua entre parejas de electrones). Esta transición de fase 2D tipo Berezinskii–Kosterlitz–Thouless ocurre por debajo de la temperatura crítica de 1,7 kelvin. Parece pequeña, pero es enorme para un material donde los electrones se mueven tanto como el grafeno bicapa. Desvelar el mecanismo microscópico responsable de esta sorpresa mayúscula será fuente de muchos estudios en los próximos meses.

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La estructura hexagonal del grafeno (monocapa) tiene un parámetro de red a = 0,246 nm. El grafeno bicapa con un ángulo θ muestra un patrón de moiré con longitud de onda λ = a/(2 sin(θ/2)). Para el ángulo mágico θ = 1,08º resulta λ = 13 nm.

El grafeno permite la propagación de cuasipartículas de tipo Dirac porque su estructura de bandas electrónicas presenta parejas de conos de Dirac, en los que la relación de dispersión es lineal; estas cuasipartículas tienen masa efectiva nula porque el grafeno no tiene salto de banda (bandgap), es decir, porque los vértices de los conos de Dirac coinciden entre sí.

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La estructura de bandas electrónicas del grafeno bicapa (TBG, siglas de Twisted Bilayer Graphene) depende del ángulo entre dichas capas. Aparecen pares de conos de Dirac con una relación de dispersión lineal, pero con un pequeño bandgap entre ellas, con lo que se propagan cuasipartículas de tipo Dirac con masa efectiva mayor de cero. Sin embargo, para ciertos ángulos, llamados ángulos mágicos, el bandgap se anula y el TBG se comporta de forma análoga al grafeno, propagando cuasipartículas de Dirac sin masa. El cálculo teórico para los primeros ángulos mágicos ofrece valores θ(1) ≈ 1,08º y θ(2) ≈ 0,5º; por fortuna, las técnicas de fabricación actuales permiten ajustar dicho ángulo con una precisión entre 0,1º y 0.2º.

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Según la energía de las cuasipartículas, el grafeno bicapa con un ángulo pequeño se comporta como un conductor (líquido de Fermi típico de un metal) o como un aislate (de tipo Mott, transición a aislante en un metal debido a la interacción fuerte entre sus electrones). En los aislantes de Mott se observa la superconductividad de alta temperatura (una predicción no explicada por la teoría BCS). Por ello, Jarillo-Herrero y sus colegas han estudiado la conductividad del grafeno bicapa con ángulos próximos al ángulo mágico (TBG con θ = 1,16º y θ = 1,05º) para temperaturas ultrafrías (entre 0 y 10 kelvin).

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Según la teoría BCS los metales suficientemente fríos son superconductores por debajo de cierta temperatura crítica. Para el TBG se esperaba según esta la teoría BCS una temperatura crítica de Tc ≈ 70 mK. Sin embargo, los experimentos indican que esta teoría subestima la temperatura crítica, que para el ángulo mágico alcanza los 1,7 K. Como el MA-TBG (siglas de Magic Angle TBG) es un aislante de tipo Mott, su superconductividad tiene su origen más allá de la teoría BCS.

Tanto en los superconductores BCS como en los h-Tc no descritos por esta teoría, la superconductividad tiene su origen en el emparejamiento de electrones formando pares de Cooper que se comportan como cuasipartículas de tipo bosón y se condensan en un estado BEC (condensado de Bose−Einstein). La teoría BCS asume un acoplamiento débil entre los electrones mediado por la estructura cristalina del material (sus fonones); además, predice una transición de fase de tipo 1 hacia el estado superconductor. Los superconductores h-Tc se caracterizan por un acoplamiento fuerte y por una transición de fase más complicada, a veces llamada transición de fase cuántica; por desgracia, aún no tenemos una teoría que explique con detalle la superconductividad h-Tc no convencional en cupratos y pnicturos.

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Esta figura compara la temperatura crítica (Tc) con la temperatura de Fermi (TF) para muchos materiales superconductores. Para los superconductores h-Tc no convencionales Tc/TF ∼ 0,01–0,05, mientras que para los convencionales el valor es mucho más pequeño (en naranja a la derecha de la figura se muestra para Sn, Al, Zn). Para el MA-TBG depende de la densidad de portados y se muestra en el inciso en la figura, estando entre Tc/TF ~ 0,04–0,06, en la banda entre cupratos y pnicturos.

Las características de la superconductividad en el MA-TBG apuntan a que su origen podría ser similar al de cupratos y pnicturos. Por ello, en los próximos meses se espera una intensa actividad teórica en la búsqueda de una teoría capaz de explicar su superconductividad. Siendo un material mucho más sencillo que un cuprato o un pnicturo, se espera que el proceso sea mucho más sencillo. Una vez alcanzada dicha teoría habrá que verificar si también es aplicable a cupratos y pnicturos, lo que podría costar unos años. Y en su caso si permite diseñar materiales con una temperatura crítica mayor, lo que podría costar unos lustros, o incluso alcanzar la temperatura ambiente, lo que podría costar unas décadas. Siempre hay que tener paciencia en ciencia.

Resumiendo, en mi modesta opinión, nos encontramos ante uno de los artículos más relevantes en física del año 2018. Que sea un español quien lidere el trabajo debe ser todo un orgullo para todos nosotros. Por supuesto, falta la confirmación independiente, que no tardará en llegar (crucemos los dedos para que no sea una refutación). Estoy seguro que todos los físicos teóricos expertos en superconductividad estarán ahora mismo trabajando a tiempo completo en el MA-TBG; los que no lo estén haciendo perderán la oportunidad de sus vidas. En este blog seguiré al tanto de todos los progresos.

Esta conferencia de Vladimir Falko describe las propiedades electrónicas del grafeno bicapa. Espero que la disfruten todos los interesados en los ángulos mágicos.


24 Comentarios

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SalaSala

¿ En que se podría beneficiar la ciencia aplicada de este hallazgo?¿ O es demasiado pronto para pronosticar?

Francisco R. Villatoro

Sala, todavía es muy pronto. Imagina la versión más utópica posible: el avance ayuda a explicar la superconductividad h-Tc y se descubre cómo diseñar materiales superconductores a temperatura ambiente; el resultado es la mayor revolución tecnológica del siglo XXI, transportar electricidad sin pérdidas (CRISPR-Cas9 sería pecata minuta a su lado). Por supuesto, solo es una utopía.

JuanJuan

La edición genómica en mi humilde opinión tiene un potencial más impresionante que la superconductividad. Será una cuestión de a qué le damos importancia, supongo. Ambas pueden traer grandes beneficios.

quidproquoquidproquo

Convengo, Juan. Aún siendo importantísimo el hallazgo, el “crispis” and beyond son la repera. Nuestra puerta abierta a la nanotecnología, ….digo biología, ….digo biotrónica, ….digo…
Podrías ponerme enfrente un reactor comercial de fusión y sería igual.
Gracias por el artículo, Francis.

Francisco R. Villatoro

Juan, a nivel económico se estima que la edición CRISPR/Cas9 tiene un potencial económico de decenas de millardos de dólares, mientras que una utópica red de transporte de electricidad vía superconductores tiene un potencial económico de decenas de billones de dólares. Incluso si se prohíbe la edición génica, nadie concibe que se prohíba la electricidad. Me refería a esta “pequeña” diferencia.

Enrique Moreno

Y no sólo el transporte de electricidad sin pérdidas, sino su almacenaje a megaescala con potencias de carga y descarga elevadísimas en volúmenes de almacenaje inmensos a un costo muy bajo y con superficies ocupadas muy (relativamente) pequeñas. Se haría realidad la utopía de un grid eléctrico sólo con energías renovables gracias a la posibilidad de almacenaje de excedentes en valle para el su uso en el pico en bobinas superconductoras de manera eficiente y económica.

GabrielGabriel

Por desgracia la física siempre suele poner barreras y lo más seguro al ser una estructura tan bien definida será que:
a) será imposible aumentar la T ya que pequeñas vibraciones rompan la estructura
b) el material se degrade muy rápido con el tiempo
c) la forma de fabricarlo sea tan compleja que no se puede pasar de la micra

Cada vez soy más pesimista!

miguelmiguel

Computacion cuantica y la tradicional tambien. Baterias de las prometidas por la ccff. Trenes que levitan a coste reducido. Catapultas espaciales. …. cuando era mas joven, este era uno de mis tres deseos para preguntarle al genio de la fisica maravillosa, con la fusion y los viajes mas rapidos que la luz.

TormaxTormax

Si, si eso es verdad y se saca una superconductividad a temperatura ambiente, pasaríamos de una civilización basada en el electrónica a una sociedad basada en magnetismo, un grado tan revolucionario como el que invento la electricidad, sin parangón

Enrique Moreno

Una duda: Cuando hablas de el “ángulo mágico de 1.1º”, ¿Qué se entiende por “ángulo mágico” en este contexto?¿Hay otros ángulos mágicos o pueden tomar otros valores?
Saludos.

PacoPaco

Qué el ángulo se ha encontrado probando, no se ha deducido de ningún sitio.

De hecho no se sabe porqué funciona como funciona al tener ese ángulo concreto.

GervasioGervasio

¿Qué pasaría si se probara con dos capas (¿el comportamiento en el grafeno es con solo dos capas superpuestas con cierto ángulo?) de cupratos y/o pnicturos superpuestas con cierto ángulo?

GervasioGervasio

Gracias por la explicación.
Había entendido mal la frase:
“Cupratos y pnicturos son materiales formados por capas planas, por ello, los avances en superconductividad de materiales planos, como el grafeno, allanan el camino hacia su solución.”
Creyendo que los Cupratos y pnicturos se construían en el laboratorio a partir de capas planas como el grafeno bicapa.

Ramon AguadoRamon Aguado

Francis, respecto a tu frase: ” ¿Por qué a este ángulo mágico y no a otro? Aún no lo sabemos”. Realmente sí lo sabemos: Este comportamiento aparece en “ángulos mágicos” porque es cuando las bandas electrónicas del material se hacen muy planas y son muy susceptibles a las correlaciones electrónicas que generan el comportamiento de aislante de Mott y superconductividad. Dicho de otra manera, la idea feliz es usar el ángulo de rotación de la bicapa de grafeno para tunear a voluntad las bandas del material. Estoy en Los Angeles en la conferencia anual de la sociedad americana de física y Pablo acaba de dar una charla con asistencia multitudinaria…Es todo un descubrimiento. No exageras al decir que será uno de los artículos más importantes del año.

Francisco R. Villatoro

Ramón, me refería a por qué el MA-TBG es superconductor. No tenemos una teoría que lo explique (luego no lo sabemos). Salvo que tengas información privilegiada al respecto aún no está publicada.

Ramon AguadoRamon Aguado

En los ángulos mágicos las bandas de hacen planas y localizan mucho a los electrones lo que favorece las fases de aislante de Mott (su otro artículo en Nature). Estas fases aislantes al doparse se hacen superconductoras, igual que en los high Tc. Efectivamente, el mecanismo intrínseco que genera la superconductividad está por entenderse, pero bien podrían ser fluctuaciones antiferromagnéticas que se generan en esos ángulos mágicos.

KhinecapaKhinecapa

Soy profano como profesional en la materia, pero aficionado de la ciencia. Queria plantear una cuestión. ¿Se puede hacer pararelismo de estas dos capas a dos campos, como el magnético y el electrico que cuando interactuan pueden producir una corriente electrica? En este caso pares de cooper. ¿ Se ha probado hacer giros entre ellos? Y fantaseando mas allá. ¿ Podria este mecanismo explicar no solo la emergencis de los pares cooper, sino de todas las particulas cuando se da un angulo determinado, y cuando no sea así, entonces prevalece la onda?

Francisco R. Villatoro

Khinecapa, no, no se puede hacer la analogía que sugieres. En cuanto a los pares de Cooper, aparecen en todo conductor y el grafeno es uno de los mejores conductores conocidos. Por supuesto, se pueden usar otros giros/rotaciones, pero en dicho caso la superconductividad es convencional. La sorpresa en los ángulos mágicos tiene su origen en los ángulos mágicos, y desaparece en los demás. En cuanto a tu última pregunta, no tiene mucho sentido…

El AlephEl Aleph

Más que orgullo, cada vez que leo el éxito de una persona de mi país y generación, lo que siento es el fracaso de no haber podido convertirme en un profesional de la ciencia. Enhorabuena a este científico que ha logrado con esfuerzo y su inteligencia alcanzar las más altas cotas de la física, algo que curiosamente hoy no ha sido comentado en ningún medio de comunicación nacional.

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