El ditelururo de wolframio bidimensional, además de aislante topológico, es superconductor

La superconductividad en el grafeno bicapa rotado con ángulo mágico abría la veda para buscarla en los dicalcogenuros de metales de transición (TMDs) bidimensionales. Se publican en Science dos artículos que desvelan que una monocapa de ditelururo de wolframio (WTe2) es superconductora con temperatura crítica Tc ~ 1 K (un kelvin) bajo dopado electrostático. Siendo un aislante topológico que presenta estados de tipo Weyl, el WTe2 abre la puerta a la superconductividad topológica en materiales bidimensionales. Si en un futuro se observasen cuasipartículas de Majorana en este material, se habría dado un paso de gigante hacia la computación cuántica topológica, basada en cúbits mucho más robustos que los convencionales.

Me gustaría destacar que uno de los dos artículos está liderado por el español Pablo Jarillo-Herrero (MIT, EE.UU.), que reafirma su puesto como firme candidato a un futuro Premio Nobel de Física por la superconductividad en materiales bidimensionales; este año está sembrado, habiendo publicado 2 artículos en Nature, 3 en Science, 3 en Nature Physics y 1 en Nature Nanotechnology. Por supuesto, habrá que esperar a que estos nuevos materiales cumplan con las promesas; pero al ritmo al que avanzan quizás baste un lustro. Te recuerdo que el WTe2 es un aislante topológico bidimensional, es decir, un material 2D que es aislante, pero que puede conducir por su borde; como material tridimensional se comporta como un semimetal de Weyl, lo que sugiere que los estados de borde en el caso bidimensional podrían ser cuasipartículas de Majorana. Habrá que cruzar los dedos, pues se trataría de toda una revolución en la computación cuántica.

Los dos artículos que muestran, por primera vez, un material que es aislante topológico y superconductor, y que además puede pasar de un estado aplicando una diferencia potencial, son Valla Fatemi, Sanfeng Wu, …, Pablo Jarillo-Herrero, “Electrically tunable low-density superconductivity in a monolayer topological insulator,” Science 362: 926-929 (23 Nov 2018), doi: 10.1126/science.aar4642, arXiv:1809.04637 [cond-mat.mes-hall], y Ebrahim Sajadi, Tauno Palomaki, .., David H. Cobden, “Gate-induced superconductivity in a monolayer topological insulator,” Science 362: 922-925 (23 Nov 2018), doi: 10.1126/science.aar4426arXiv:1809.04691 [cond-mat.mes-hall]. Más información divulgativa en Denis Paiste, “First two-dimensional material that performs as both topological insulator and superconductor,” MIT News, 01 Nov 2018.

Jarillo-Herrero y sus colegas encapsulan la monocapa de WTe2  entre dos capas protectoras de nitruro de boro hexagonal (hBN) de 15 nm (abajo) y 8 nm (arriba), y sendas puertas de grafito en la parte superior (top gate) e inferior (bottom gate), sobre las que se aplican sendos voltajes Vtg y Vbg, resp. La resistencia cae desde unos 1.2 kΩ (kiloohmios) hasta cero conforme se baja la temperatura por debajo de 1 K, mientras se aplica un voltaje Vtg = 5 V, y Vbg = 4 V. La transición superconductora en un material bidimensional no es brusca, por lo que se calcula la temperatura crítica (a la que la resistencia eléctrica cae un 90%) como ~820 mK, alcanzándose la resistencia cero para ~350 mK. La curva sigue las predicciones de la superconductividad bidimensional según la teoría de Berezinskii–Kosterlitz–Thouless, con una temperatura crítica TBKT ~ 470 mK.

El estado superconductor depende de la densidad de portadores (electrones), que se puede ajustar mediante los potenciales de puerta (dopado eléctrico), es decir, las diferencias de potencial Vtg y Vbg. Fijando una de ellas, existe un valor crítico para la otra, en el que se produce una transición de metal a aislante (MIT); por ejemplo, para Vtg = 5 V el valor crítico de Vbg > VMIT ~ −0.75 V, que corresponde a un dopado crítico (tipo n) de nc ~ 5 × 1012 cm−2. Esta densidad de dopado es muy baja. La figura muestra el diagrama de fases en función del dopado y la temperatura; las siglas QSHI corresponden a Quantum Spin Hall Insulator (QSHI), el estado fundamental del WTe2 sin dopar para temperaturas por debajo de ~ 100 K; su comportamiento por encima de la temperatura crítica es metálico. La coexistencia de propiedades superconductoras y como aislante topológico es la propiedad más destacable del WTe2 de cara a futuras aplicaciones, pues apunta a estados de tipo Majorana (aún no observados).

La aplicación de un campo magnético transversal destruye la superconductividad, basta Bc2,⊥ ~ 30 mT para Vtg = Vbg = 5 V; este resultado apunta a que la longitud de coherencia de Ginzburg–Landau es próxima a 100 nm. La superconductividad resiste grandes campos magnéticos longitudinales, hasta Bc2,‖ ~ 4.3 T (unas cuatro veces el límite paramagnético de Pauli para la superconductividad convencional, 1.84 Tc ~ 1.1 T. Quizás el estudio teórico de este material ayudará en la búsqueda del secreto de la superconductividad no convencional a alta temperatua.

Cobden y sus colegas estudian un dispositivo experimental similar. Una monocapa de WTe2 encapsulada con hBN, con contactos delgados de platino (Pt), todo ello entre dos puertas de grafito (top y bottom, con potenciales Vt y Vb). Para dopado con huecos (tipo p), cuando el voltaje de puerta es negativo, Vt < 0, se observa un estado aislante y para dopado con electrones (tipo n), para Vt > 0, un estado superconductor con temperatura crítica Tc ~ 1 K. Los resultados experimentales son muy similares a los obtenidos por Jarillo-Herrero y sus colegas, con lo que se confirman de forma independiente los descubrimientos mutuos de ambos equipos de investigadores.

Finalicé mi charla en Naukas Bilbao 2018 augurando el descubrimiento de la superconductividad en los dicalcogenuros de metales de transición bidimensionales. Ahora que se acaban de publicar dos artículos que lo logran me gustaría destacar un punto importante. Fabricar xenos bicapa (de grafeno, siliceno, germaneno, estaneno, fosforeno, etc.) rotados con ángulo mágico, para que aparezcan bandas planas en su nivel de Fermi, es mucho más difícil que fabricar TMDs (que no hay que rotar). Por ello, estos últimos son mucho más prometedores de cara a futuras aplicaciones prácticas, así como avances en ciencia básica. A pesar de ello, su fabricación no es trivial; hay que destacar que tanto el grupo de Jarillo-Herrero como el de Cobden solo han fabricado y analizado dos dispositivos cada uno; algo que recuerda que deja claro que aún sigue siendo un arte su fabricación.

En resumen, dos artículos muy prometedores, que nos recuerdan que la superconductividad en materiales bidimensionales tiene un futuro espléndido. Aunque sus temperaturas críticas son muy bajas (del orden del kelvin), se trata de superconductores no convencionales; por ello, su simplicidad estructural ayudará muchísimo hacia la solución del gran problema del secreto de la superconductividad de alta temperatura.



2 Comentarios

  1. Hola Francis, perdón por el off-topic, ¿estáis otra vez “en obras” en la web de Naukas? Ni ayer ni hoy es posible acceder a la segunda página de tu blog, al intentarlo dice:
    ERROR 404: NO ENCONTRADO
    Y los posts de Daniel Marín no se cargan bien.
    Saludos

Deja un comentario

Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 24 noviembre, 2018
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Nanotecnología • Noticias • Physics • Science
Etiqueta(s): ,