La superconductividad se activa y desactiva en el grafeno de "ángulo mágico

Un rápido impulso eléctrico invierte por completo las propiedades electrónicas del material, abriendo una vía a la electrónica superconductora ultrarrápida

01.02.2023 - Estados Unidos

Gracias a un cuidadoso proceso de torsión y apilamiento, los físicos del MIT han descubierto una nueva y exótica propiedad del grafeno de "ángulo mágico": una superconductividad que puede encenderse y apagarse con un impulso eléctrico, como un interruptor de la luz.

El descubrimiento podría dar lugar a transistores superconductores ultrarrápidos y energéticamente eficientes para dispositivos neuromórficos, es decir, electrónicos diseñados para funcionar de forma similar al rápido encendido y apagado de las neuronas del cerebro humano.

El grafeno de ángulo mágico se refiere a un apilamiento muy particular de grafeno, un material delgado como un átomo hecho de átomos de carbono que están unidos en un patrón hexagonal parecido a un alambre de gallinero. Cuando una hoja de grafeno se apila sobre una segunda hoja en un ángulo "mágico" preciso, la estructura retorcida crea un patrón de "muaré" ligeramente desplazado, o superred, que es capaz de soportar una serie de comportamientos electrónicos sorprendentes.

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En 2018, Pablo Jarillo-Herrero y su grupo en el MIT fueron los primeros en demostrar el grafeno bicapa retorcido en ángulo mágico. Demostraron que la nueva estructura bicapa podía comportarse como un aislante, muy parecido a la madera, cuando aplicaban un determinado campo eléctrico continuo. Al aumentar el campo, el aislante se transformaba en superconductor y permitía que los electrones fluyeran sin fricción.

Este descubrimiento dio origen a la "twistrónica", un campo que explora cómo ciertas propiedades electrónicas surgen de la torsión y estratificación de materiales bidimensionales. Investigadores como Jarillo-Herrero han seguido descubriendo propiedades sorprendentes en el grafeno de ángulo mágico, incluidas varias formas de cambiar el material entre diferentes estados electrónicos. Hasta ahora, estos "interruptores" han actuado más bien como atenuadores, en el sentido de que los investigadores deben aplicar continuamente un campo eléctrico o magnético para activar la superconductividad y mantenerla activada.

Ahora, Jarillo-Herrero y su equipo han demostrado que la superconductividad en el grafeno de ángulo mágico puede activarse y mantenerse con un breve pulso en lugar de con un campo eléctrico continuo. La clave está en una combinación de torsión y apilamiento.

En un artículo que se publica hoy en Nature Nanotechnology, el equipo informa de que, apilando grafeno de ángulo mágico entre dos capas compensadas de nitruro de boro -un material aislante bidimensional-, la alineación única de la estructura en sándwich permitió a los investigadores activar y desactivar la superconductividad del grafeno con un breve pulso eléctrico.

"En la inmensa mayoría de los materiales, si se elimina el campo eléctrico, zzzzip, el estado eléctrico desaparece", explica Jarillo-Herrero, catedrático de Física Cecil e Ida Green del MIT. "Es la primera vez que se fabrica un material superconductor que puede encenderse y apagarse eléctricamente, de forma brusca. Esto podría allanar el camino para una nueva generación de electrónica superconductora trenzada basada en grafeno".

Sus coautores en el MIT son la autora principal, Dahlia Klein, Li-Qiao Xia y David MacNeill, junto con Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi, del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón.

Accionar el interruptor

En 2019, un equipo de la Universidad de Stanford descubrió que el grafeno de ángulo mágico podía coaccionarse para pasar a un estado ferromagnético. Los ferromagnetos son materiales que conservan sus propiedades magnéticas, incluso en ausencia de un campo magnético aplicado externamente.

Los investigadores descubrieron que el grafeno de ángulo mágico podía mostrar propiedades ferromagnéticas de una forma que podía activarse y desactivarse. Esto ocurría cuando las láminas de grafeno se intercalaban entre dos láminas de nitruro de boro, de modo que la estructura cristalina del grafeno quedaba alineada con una de las capas de nitruro de boro. La disposición se asemejaba a un sándwich de queso en el que la rebanada superior de pan y las orientaciones del queso están alineadas, pero la rebanada inferior de pan gira en un ángulo aleatorio con respecto a la rebanada superior. El resultado intrigó al grupo del MIT.

"Intentábamos obtener un imán más fuerte alineando ambas rebanadas", dice Jarillo-Herrero. "En lugar de eso, encontramos algo completamente diferente".

En su estudio actual, el equipo fabricó un sándwich de materiales cuidadosamente angulados y apilados. El "queso" del sándwich consistía en grafeno de ángulo mágico: dos láminas de grafeno, la superior girada ligeramente en el ángulo "mágico" de 1,1 grados con respecto a la lámina inferior. Encima de esta estructura, colocaron una capa de nitruro de boro, exactamente alineada con la lámina superior de grafeno. Por último, colocaron una segunda capa de nitruro de boro debajo de toda la estructura y la desplazaron 30 grados con respecto a la capa superior de nitruro de boro.

A continuación, el equipo midió la resistencia eléctrica de las capas de grafeno al aplicar un voltaje de puerta. Comprobaron, como ya habían hecho otros, que el grafeno bicapa retorcido cambiaba de estado electrónico, pasando de aislante a conductor y a superconductor a determinados voltajes conocidos.

Lo que el grupo no esperaba era que cada estado electrónico persistiera en lugar de desaparecer inmediatamente una vez retirado el voltaje, una propiedad conocida como biestabilidad. Descubrieron que, a un voltaje determinado, las capas de grafeno se convertían en superconductoras y seguían siéndolo aunque los investigadores retiraran el voltaje.

Este efecto biestable sugiere que la superconductividad puede activarse y desactivarse con breves impulsos eléctricos en lugar de con un campo eléctrico continuo, como si se pulsara un interruptor de la luz. No está claro qué permite esta superconductividad conmutable, aunque los investigadores sospechan que tiene algo que ver con la alineación especial del grafeno retorcido con ambas capas de nitruro de boro, que permite una respuesta del sistema similar a la ferroeléctrica. (Los materiales ferroeléctricos muestran biestabilidad en sus propiedades eléctricas).

"Prestando atención al apilamiento, se podría añadir otro botón de ajuste a la creciente complejidad de los dispositivos superconductores de ángulo mágico", afirma Klein.

Por ahora, el equipo ve el nuevo interruptor superconductor como otra herramienta que los investigadores pueden tener en cuenta a la hora de desarrollar materiales para una electrónica más rápida, más pequeña y más eficiente energéticamente.

"La gente está intentando construir dispositivos electrónicos que realicen cálculos inspirándose en el cerebro", afirma Jarillo-Herrero. "En el cerebro tenemos neuronas que, a partir de cierto umbral, se disparan. Del mismo modo, ahora hemos encontrado la forma de que el grafeno de ángulo mágico cambie bruscamente de superconductividad, más allá de un cierto umbral. Es una propiedad clave para hacer realidad la computación neuromórfica".

Esta investigación ha sido financiada en parte por la Oficina de Investigación Científica del Ejército del Aire, la Oficina de Investigación del Ejército y la Fundación Gordon y Betty Moore.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.