Pablo Jarillo-Herrero recibe el Premio Wolf en Física de 2020

Por Francisco R. Villatoro, el 23 enero, 2020. Categoría(s): Ciencia • Física • Nanotecnología • Noticias • Physics • Science ✎ 7

El Premio Wolf en Física está considerado la antesala del Premio Nobel de Física. El español Ignacio Cirac lo obtuvo en 2013, junto a Peter Zoller. El segundo español que lo logra es Pablo Jarillo-Herrero, catedrático del MIT (Boston, EEUU), por ser el padre experimental de la twistrónica, gracias al grafeno bicapa rotado con ángulo mágico. Lo recibe junto a los padres teóricos, el canadiense Allan H. MacDonald (Univ. Texas, Austin, EEUU) y el israelí Rafi Bistritzer, que acuñaron el término «ángulo mágico» para el aplanado de las bandas de moiré para ciertos ángulos pequeños.

Nadie es profeta en su tierra. Me consta que hay premios españoles que podrían haber galardonado a Pablo en 2019; pero perdieron la oportunidad de ser los pioneros. Sus dos artículos en el mismo número de Nature en marzo de 2018 sobre el grafeno bicapa rotado, su superconductividad y su comportamiento como aislante fuertemente correlacionado, han sido citados más de 1200 veces y más de 700 veces, resp. (según Google Scholar); el artículo de Allan y Rafi se publicó en PNAS en 2011 y ha sido citado casi 700 veces (según GS). Por cierto, dos artículos de Allan sobre el efecto Hall anómalo han superado las 2000 citas; y Rafi abandonó la investigación el año en que publicó su artículo galardonado.

En mi opinión, está fuera de toda duda que en unos lustros (Pablo es aún muy joven), caerá un Premio Nobel de Física a este español afincado en EEUU. Tiempo al tiempo. Los artículos galardonados son Yuan Cao, Valla Fatemi, …, Pablo Jarillo-Herrero, «Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices,» Nature 556: 43-50 (05 Mar 2018), doi: https://doi.org/10.1038/nature26160arXiv:1803.02342 [cond-mat.mes-hall] (06 Mar 2018); Yuan Cao, Valla Fatemi, …, Pablo Jarillo-Herrero, «Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices,» Nature 556: 80-84 (05 Mar 2018), doi: https://doi.org/10.1038/nature26154arXiv:1802.00553 [cond-mat.mes-hall] (02 Feb 2018); y Rafi Bistritzer, Allan H. MacDonald, «Moiré bands in twisted double-layer graphene,» PNAS 108: 12233-12237 (26 July 2011), doi: https://doi.org/10.1073/pnas.1108174108arXiv:1009.4203 [cond-mat.mes-hall] (21 Sep 2010).

En este blog puedes leer «Sorpresa mayúscula: el grafeno bicapa con ángulo mágico es superconductor», LCMF, 06 mar 2018; «El ángulo mágico del grafeno (mi charla #Naukas18)», LCMF, 17 sep 2018; «Nueva sorpresa en la superconductividad del grafeno bicapa rotado con ángulo mágico», LCMF, 28 jul 2019; «Espectroscopia electrónica del grafeno bicapa rotado con ángulo mágico», LCMF, 01 ago 2019; «El grafeno doble bicapa rotado parece ser un superconductor de tipo triplete», LCMF, 25 sep 2019; entre otras piezas.

El grafeno bicapa rotado con un ángulo pequeño se comporta como un material de moiré. Bistritzer (durante su último postdoctorado antes de abandonar la investigación) y MacDonald desarrollaron un modelo continuo de su estructura de bandas electrónicas. El patrón de moiré forma una superred en la que los los electrones se concentran en ciertos lugares (AA) donde los hexágonos de ambas hojas de grafeno coinciden; la distancia entre los puntos AA es mucho mayor que la celda unidad del grafeno.

En el grafeno monocapa los electrones se sitúan en conos de Dirac, con una relación de dispersión lineal; así las cuasipartículas se comportan como fermiones de Dirac sin masa que se mueven a la mayor velocidad posible en el material, la velocidad de Fermi. En el grafeno rotado, estos conos de Dirac de ambas hojas de grafeno interaccionan de forma fuerte entre sí; su ángulo se abre, tanto que la estructura de bandas se aplana, según el modelo continuo de Bistritzer y MacDonald. La velocidad de Fermi para las cuasipartículas en estas bandas aplanadas se hace cero para ciertos ángulos, los llamados ángulos mágicos (θ ≈ 1.05°, 0.5°, 0.35°, 0.24°, 0.2°, … según su modelo teórico). Así, las cuasipartículas se «congelan» y sus interacciones mutuas muestran correlaciones no locales.

Para los ángulos mágicos los electrones se concentran en los puntos AA del patrón de moiré; estos puntos están muy alejados entre sí (comparada con la distancia entre los átomos de carbono en el grafeno). Así se observa una correlación fuerte entre los estados electrónicos; siendo un material muy sencillo, en apariencia, al estar formado solo por átomos de carbono, Jarillo-Herrero pensó que sería el material ideal para estudiar los fenómenos asociados a estas correlaciones. Por ello decidió que su doctorando Yuan Cao fabricara estos dispositivos y estudiara sus propiedades electrónicas a baja temperatura.

La estructura de bandas del grafeno bicapa rotado con ángulo mágico permite que haya hasta cuatro cuasipartículas (electrones o huecos) por supercelda unidad. La primera sorpresa que observó Jarillo-Herrero es que para semillenado (dos cuasipartículas por supercelda unidad) aparecía un estado aislante; parecía un estado aislante de tipo Mott. Una sorpresa que merecía ser publicada en la revista Nature. Hoy sabemos que hay estados aislantes para todos los niveles enteros de llenado (uno, dos, tres o cuatro cuasipartículas por supercelda unidad), algo que predijo MacDonald a finales de 2018. Sin embargo, han aparecido serias dudas sobre si se trata de estados aislantes tipo Mott. Queda mucho por conocer a nivel teórico sobre el origen último de estos estados aislantes.

Para estudiar los estados aislantes había que enfriar los dispositivos. Así apareció la segunda sorpresa, mayúscula donde las haya, la superconductividad no convencional del grafeno bicapa rotado con ángulo mágico. Se observaron dos domos superconductores a ambos lados de los estados aislantes para semillenado con una temperatura crítica de unos 1.7 K. Una sorpresa mayúscula que merecía otro artículo en Nature; así Jarillo-Herrero logró publicar sendos artículos en el mismo número de Nature. Puede parecer una temperatura crítica pequeña, pero en relación a la temperatura de Fermi es enorme. Además, todo parecía indicar que se trataba de superconductividad no convencional, análoga a la de los cupratos superconductores de alta temperatura.

Hoy sabemos, gracias a dispositivos fabricados con menos defectos que los prototipos de Jarillo-Herrero, que aparecen domos superconductores entre todos los estados aislantes para llenado entero; más aún, la temperatura crítica en algunos de estos domos alcanza hasta 3 K. Aún no sabemos si se trata de superconductividad no convencional análoga a la de los cupratos, como se sugirió en un primer momento, o si se trata de una faceta de la superconductividad convencional basada en pares de Cooper acoplados mediante fonones. Hay muchos misterios asociados a estos materiales.

La superconductividad en el grafeno bicapa rotado con ángulo mágico no fue predicha por Bistritzer y MacDonald, ni tampoco por ningún otro experto; aunque hay varios teóricos que afirman que lo predijeron hace años, pero se lo callaron porque pensaban que nadie se lo publicaría. Por desgracia, incluso hoy, casi dos años después del hito de Jarillo-Herrero, carecemos de una teoría que explique todas las observaciones asociadas a los estados aislantes y superconductores en este «mágico» material. Se han publicado más de 1200 artículos, la mayoría teóricos, pero todavía ignoramos el secreto de su magia. Por supuesto, hay decenas de propuestas, pero no me consta de que haya una definitiva, aceptada por todos los expertos.

El Premio Wolf en Física de 2020 premia el nacimiento de la twistrónica. Hoy podemos construir muchos bicapas rotadas con ángulo pequeño de materiales bidimensionales más allá del grafeno; estas estructuras de moiré muestran una estructura electrónica con bandas planas. En varios de estos materiales bidimensionales se han observado estados aislantes, e incluso superconductores.

El futuro de la twistrónica es muy prometedor. Una futura aplicación nicho para estos materiales será la mecha que prenda el futuro Premio Nobel de Física para nuestro compatriota. Pero antes de concebir aplicaciones prácticas hay que dominar la ciencia básica que hay detrás de estos materiales «mágicos». Queda mucho trabajo por hacer, algo maravilloso en ciencia, donde las preguntas son mucho más relevantes que las respuestas.

Para mí es una gran alegría que Pablo ya sea Premio Wolf. Su humildad, cercanía y sencillez son envidiables. Además, su producción científica ha explotado desde 2018; ha publicado 3 Nature, 3 Science, 7 Nature Physics, 3 Nature Nanotechnology, … Con seguridad su trabajo nos ofrecerá otras sorpresas que revolucionarán la física de la materia condensada.



7 Comentarios

  1. Mi enhorabuena a nuestro compatriota y estas buenas noticias seguro que son muy inspiradoras para todos, pero especialmente para los jóvenes.

    Gracias Francis por mantenernos al día.

  2. Gracias por la interesantísima entrada Francis.

    Un detalle, en el párrafo diez debería decir «superconductores» donde dice «–>semiconductoressemiconductores<— entre todos los estados aislantes para llenado entero".

    Saludos.

  3. enhorabuena a jarillo-herrero.la noticia me deja un cierto sinsabor.es un investigador español de primer orden, que, como muchos de los excelentes investigadores está fuera del país. y hasta donde yo sé, ningún medio de comunicación de los más importantes no han comentado nada.un churro hecho por un futbolista abre noticieros,y esto na de ná

  4. Es una absoluta vergüenza que la gente se tenga que ir de su país, sea este u otro, para alcanzar ciertas metas, incluso diría más, es una vergüenza que se vayan sin pedir antes públicamente y por cualquier medio el cambio de esta situación.
    Nadie parece tener conciencia de nada y al parecer todo se puede comprar con dinero; esto recuerda otros campos, por ejemplo el deportivo y tratándose de USA la NBA; a buenas horas les iba yo a formar jóvenes para que se llevasen a los mejores, de eso nada, que lo paguen ellos. Pues en la ciencia igual, para educarles aquí con nuestro dinero y que luego se vayan, sinceramente yo no lo haría; si te formas en una sociedad allí tienes que trabajar y si es necesario modificarla.
    Las cosas hay que tomárselas en serio y si vamos cada uno a lo nuestro, pues nada, a quien Dios se la de San Pedro se la bendiga.
    Saludos.

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