El ángulo mágico del grafeno (mi charla #Naukas18)

Mi charla Naukas Bilbao 2018 ya está disponible en vídeo (EITB). Titulada “El ángulo mágico del grafeno”, con 10 minutos de duración, presenta la gran noticia científica de este año: que el grafeno bicapa rotado con ángulo mágico es un superconductor no convencional (y un aislante Mott cuando deja de serlo). Este material “mágico” promete revolucionar nuestro conocimiento sobre la superconductividad de alta temperatura.

En este blog también puedes leer “Sorpresa mayúscula: el grafeno bicapa con ángulo mágico es superconductor”, LCMF, 06 Mar 2018, y “Hacia el secreto de la superconductividad en el grafeno bicapa”, LCMF, 25 May 2018. Los dos artículos publicados el mismo día en Nature 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].

La ciencia española está de enhorabuena porque este trabajo ha sido liderado por el físico valenciano Pablo Jarillo-Herrero, profesor en el MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts) en Boston, EE UU. El pasado martes ha impartido una conferencia invitada en el congreso Graphene Week (2018), en San Sebastián (Donostia).

Los superconductores son materiales que conducen la electricidad sin pérdidas al ser enfriados por debajo de una temperatura crítica. Además, estos materiales expulsan los campos magnéticos (el efecto Meissner), lo que permite que un imán levite en el aire como ilustra este vídeo.

La teoría que explica la superconductividad convencional afirma que se forman pares de Cooper que se describen mediante un estado cuántico macroscópico, un condensado de Bose-Einstein. Las cargas del mismo signo se repelen, pero entre dos electrones surge una fuerza atractiva gracias a los iones del material, la llamada interacción electrón-fonón. A baja temperatura, un electrón en movimiento genera una onda en los iones, llamada fonón, que, si hay suficientes electrones en el material, atrae a otro electrón, que queda acoplado al primero formando una pareja estable. En el par de Cooper los electrones tienen espines opuestos y velocidades (momentos) opuestas.

Hay dos tipos de superconductores convencionales. En los de tipo II, la distancia entre los electrones del par de Cooper es menor que la profundidad de penetración de los campos magnéticos. Gracias a ello se forman vórtices en el interior del material, con una fase normal en el centro, rodeada por la fase superconductora. Lo que permite fabricar cables que trasporten grandes corrientes eléctricas e imanes que generen potentes campos magnéticos.

Muchos elementos químicos son superconductores, pero los buenos conductores no son superconductores. El cobre, la plata, el oro y el grafeno (carbono) son buenos conductores porque su acoplamiento electrón-fonón es débil, lo que impide que sean superconductores convencionales incluso a muy baja temperatura.

Este verano se ha publicado que nanopartículas de oro y plata de unos 20 nanómetros de diámetro son superconductoras a temperatura ambiente (por encima de 320 K). Sin embargo, la mayoría de los expertos consideran que se trata de un falso positivo, un OSNI, un objeto superconductor no identificado. Más información en “Dudas sobre la superconductividad a temperatura ambiente en un nanomaterial de oro y plata”, LCMF, 21 Ago 2018.

Un superconductor a temperatura y presión ambientales revolucionaría el transporte de electricidad y sería clave para la solución del mayor problema del siglo XXI, la energía. Por desgracia, según la teoría, los superconductores convencionales su temperatura crítica máxima de unos 40 Kelvin. Solo se pueden alcanzar temperaturas críticas mayores bajo altas presiones; el récord este año es un superhidruro de lantano que tiene una temperatura crítica de 260 K a unos 200 gigapascales, o sea, una presión de 2 millones de atmósferas. Hace 30 años se descubrieron los primeros superconductores no convencionales, los cupratos (óxidos de cobre), que ostentan la temperatura crítica récord de 164 K a presión ambiente.

Tras más de 30 años de investigación, los físicos teóricos han fracasado y aún no tenemos una teoría que explique la superconductividad no convencional en cupratos. En estos materiales la superconductividad aparece cuando se dopan, se sustituyen unos átomos por otros, por ejemplo, lantano por estroncio para dopar con huecos (figura izquierda), o renio por cerio para dopar con electrones (figura derecha).

El diagrama de fase típico de un superconductor no convencional muestra que el material no dopado, en estado de neutralidad, es un aislante de tipo Mott, un antiferromagneto, en lugar de un metal; no conducen sus electrones están localizados en ciertos sitios sin posibilidad de moverse (saltar de un sitio a otro) debido a la repulsión coulombiana entre ellos. Los detalles de este diagrama de fases cambian mucho de un material a otro, y ni siquiera sabemos si existirá una teoría única para todos ellos o si cada material requiere su propia teoría.

El fracaso de los físicos teóricos ha llevado a los físicos experimentales a desconfiar de ellos. La regla de Matthias afirma que para descubrir nuevos superconductores hay que alejarse lo más posible de los físicos teóricos. Como teórico confío en que la situación cambie en los próximos años gracias a la “magia” del grafeno bicapa.

Los teóricos necesitan un material con “magia”. Un superconductor no convencional que sea aislante Mott en su estado sin dopar; que sea fácil de modelar, a ser posible formado por un único elemento químico; que sea fácil de fabricar, para una rápida confirmación experimental de las predicciones teóricas; y que sea fácil de dopar, sin usar síntesis química, a ser posible mediante electricidad. En febrero de 2018 parecía imposible que existiera un material con esta “magia”…

Pero en marzo de 2018, el físico español Pablo Jarillo-Herrero anunció que el grafeno bicapa rotado con un ángulo mágico de 1.1 grados es superconductor con una temperatura crítica de 1.7 kelvins.

Más aún, en su estado de neutralidad se comporta como un aislante Mott, como muchos cupratos y pnicturos. Pablo publicó dos artículos en Nature el mismo día y gracias a ellos ya es catedrático en el MIT.

El grafeno es una hoja de grosor monoatómico de átomos de carbono con un patrón hexagonal. Dos hojas de grafeno A y B colocadas una sobre la otra con cierto ángulo pequeño definen un patrón de moiré que también tiene una estructura hexagonal.

En la celda del grafeno hay 2 átomos de carbono. En la supercelda unidad del patrón de moiré del grafeno bicapa con ángulo mágico de 1.08 grados hay más de 11 000 átomos de carbono.

La estructura de bandas del grafeno se caracteriza por la presencia de conos de Dirac (donde la relación entre la energía y la velocidad de las ondas de electrones es lineal). Para un ángulo pequeño los conos de Dirac de ambas hojas de grafeno están muy próximos y se hibridan. La estructura de bandas se aplana al alcanzar un ángulo mágico; no son del todo planas, pero son unas mil veces más planas que en el grafeno. Estas bandas planas significan que los electrones se localizan en parejas en los puntos AA del patrón de moiré del grafeno bicapa.

Por cierto, la animación de la izquierda la descargué en formato MOV de la información adicional del artículo de Nature [vídeo MOV], pero también se encuentra en formato GIF animado en la página web de Yuan Cao [vídeo GIF].

Pablo Jarillo-Herrero y sus colegas han estudiado un dispositivo similar a un transistor, con el grafeno bicapa protegido entre dos capas de nitruro de boro hexagonal (h-BN) y con tres terminales de puerta, fuente y drenador. Controlando la diferencia de potencial de puerta se puede dopar el grafeno bicapa con electrones o con huecos. El diagrama de fases es muy similar al de un cuprato y se alcanza una temperatura crítica máxima de 1.7 K para un ángulo de 1.05º, siendo de solo 0.5 K para un ángulo de 1.16º.

El diagrama de fases del grafeno bicapa rotado con ángulo mágico es muy similar al de los cupratos, aunque mucho más sencillo y estilizado. Todavía no tenemos una teoría que explique la superconductividad en este material, pero la esperanza es que sirva para entender el de otros superconductores no convencionales. Quien descubra el secreto de la magia del grafeno bicapa habrá dado un salto de gigante en el campo de la supercoductividad.

Pero no solo los físicos teóricos están contentos, también los físicos experimentales. El grafeno bicapa es la heteroestructura de van der Waals más sencilla. Como si se trata de un lego atómico, podemos fabricar materiales superponiendo capas planas de diferentes materiales, como xenos (grafeno, siliceno, germaneno, estaneno, fosforeno, etc.), dicalcogenuros de metales de transición (disulfuro de molibdeno, diseleniuro de wolframio, diseleniuro de niobio, …), el nitruro de boro hexagonal, haluros metálicos, etc. Hay infinidad de heteroestructuras de van der Waals que tienen ángulos mágicos en los que sus bandas se aplanan, con lo que se espera que también sean superconductores. Estos materiales podrían tener temperaturas críticas más altas que el grafeno y quizás incluso mayores que los cupratos.

El español Pablo Jarillo-Herrero ha revolucionado con su descubrimiento la física de la superconductividad. Sin lugar a dudas, si las promesas de éxito se cumplen, se situará en la alfombra roja hacia el Premio Nobel de Física. El candidato español más firme a dicho premio (que como en el caso de Severo Ochoa será asignado a EE UU).

Como siempre, mis charlas en Naukas se centran en temas fascinantes y su objetivo es motivar a profundizar sobre el tema. Quienes tengan dificultades en entender la charla pueden tirar de sus palabras clave y profundizar; seguro que así logran comprenderlo todo sin problemas.

3 comentarios

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daniel daniel

¿Realmente ves fácil pasar de una temperatura crítica de 1.7 K a temperatura ambiente simplemente dopando el grafeno? Quiero decir que parece que lo más importante parece que ya se ha descubierto y ahora solo es cuestión de afinarlo, pero ese afinamiento les puede traer de cabeza, no sé. El diablo está en los detalles…

ChemaPizarro ChemaPizarro

Hola! Simplemente quería comentar que no estoy totalmente de acuerdo con varias cosillas, a ver si consigue formarse un debate sanote para que la gente no esté confundida.

No estoy muy de acuerdo con lo de que sea fácil de modelar teóricamente. De hecho nombras que la celda unidad tiene unos 10.000 átomos, lo que es una locura para poder asumir un modelo de bandas inicial para el Grafeno Bicapa Rotado (GBR)! En estos últimos meses, aún hay gente intentando sacar este modelo inicial (destacaría a Oskar Vafek por un lado, y a Senthil y Vishwanath por el otro), y aún hay dudas (bastante complicadas) sobre sus modelos.

Otra cosa: hasta dónde yo sé no se ha visto que haya orden Antiferromagnético (AFM) en este sistema. Pablo Jarillo et al. comentan algo en su paper de Nature, pero no hay medidas ni nada, así que afirmar que este existe un orden AFM está complicado. Otra cosa es lo que se espera para un aislante de Mott con ciertas características cómo las que tiene el GBR, pero de nuevo, sin un modelo teórico inicial decente (y sin medidas experimentales) no se puede afirmar nada.

En cuánto a lo del premio Nobel… no sé yo, igual en unos años (por qué no dárselo antes a Hosono por el descubrimiento de los superconductores de Fe?) y por soñar que no falte, como no podemos decir nada de la Temperatura crítica en superconductores no convencionales igual sale algo. Lo interesante es que nace una nueva forma de buscar sistemas correlacionados y su interacción con la superconductividad, en unos sistemas que son cojonudos para manipularlos, doparlos, meterles presión, jugar con diferentes compuestos (como los que marcas ahí). Quién sabe, todo sea pensar en bicapas diferentes.

Y por último, Bernd Matthias decía de alejarse de los teóricos como última regla para buscar superconductividad en diferentes materiales. Ahora bien, entre las reglas que decía para encontrar nuevos superconductores estaban:
– Sistemas con alta densidad de portadores: falso, este mismo GBR tiene una densidad de portadores bajísima (y mucho materiales más también).
– Alejarse de materiales con oxígeno: cupratos, LaFeAsO, etc, todos tienen oxígeno.
– Alejarse de aislantes: los cupratos y este GBR son aislantes de Mott.
– Alejarse de los sistemas con magnetismo: prácticamente, todos los superconductores no convencionales son AFM o ferromagnéticos (con poquitas excepciones).

Así que, viéndolo con perspectiva, mejor creer a los teóricos para encontrar nuevos materiales superconductores ;P

Un saludo!

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