Un avance cuántico del MIT acerca a los superconductores a temperatura ambiente

Los superconductores funcionan como trenes exprés para la electricidad. Una vez que la corriente eléctrica ingresa a uno, puede viajar sin resistencia ni pérdida de energía. Debido a esta notable eficiencia, los superconductores son fundamentales en tecnologías como los escáneres de resonancia magnética y los aceleradores de partículas.

Sin embargo, estos superconductores "convencionales" solo operan a temperaturas extremadamente frías. Deben mantenerse en sistemas de refrigeración especializados para conservar su estado superconductivo. Si se lograra que los materiales pudieran ser superconductores a temperaturas más cálidas y prácticas, se podría transformar la tecnología moderna, desde la creación de redes energéticas que no desperdicien energía hasta la habilitación de computadoras cuánticas más funcionales. Para alcanzar ese objetivo, investigadores del MIT y otras instituciones están explorando superconductores "no convencionales", materiales que desafían las reglas de los superconductores tradicionales y podrían conducir al próximo gran avance.

Descubrimiento del grafeno de ángulo mágico del MIT

En un importante avance, físicos del MIT observaron evidencia clara de superconductividad no convencional en el grafeno de tri-capa torcido a "ángulo mágico" (MATTG). Este material único se crea apilando tres capas delgadas de grafeno en un ángulo muy específico. Ese pequeño giro altera drásticamente las propiedades del material, dando lugar a efectos cuánticos extraños y prometedores.

Si bien estudios anteriores habían sugerido que el MATTG podría albergar superconductividad no convencional, los nuevos hallazgos, publicados en la revista Science, ofrecen la confirmación más directa hasta la fecha.

Una nueva mirada al hueco superconductivo

El equipo del MIT midió con éxito el hueco superconductivo del MATTG, que indica cuán fuerte es el estado superconductivo de un material a diferentes temperaturas. Descubrieron que el hueco en el MATTG se veía completamente diferente al de los superconductores convencionales. Esta diferencia sugiere que la forma en que el MATTG se vuelve superconductivo depende de un mecanismo distinto y no convencional.

"Existen muchos mecanismos diferentes que pueden llevar a la superconductividad en los materiales", explicó Shuwen Sun, coautora principal y estudiante de posgrado en el Departamento de Física del MIT. "El hueco superconductivo nos da una pista sobre qué tipo de mecanismo puede llevar a cosas como los superconductores a temperatura ambiente que eventualmente beneficiarán a la sociedad humana."

El equipo realizó este descubrimiento con un nuevo sistema experimental que les permite observar directamente cómo se forma el hueco superconductivo en materiales bidimensionales. Planean utilizar la técnica para estudiar el MATTG y otros materiales 2D en más detalle, con la esperanza de identificar nuevos candidatos para tecnologías avanzadas.

"Entender un superconductor no convencional muy bien puede desencadenar nuestra comprensión del resto", afirmó Pablo Jarillo-Herrero, profesor de Física en el MIT y autor principal del estudio. "Esta comprensión puede guiar el diseño de superconductores que funcionen a temperatura ambiente, que es como el Santo Grial de todo el campo."

Los orígenes de la twistrónica

El grafeno está compuesto por una sola capa de átomos de carbono dispuestos en un patrón hexagonal que se asemeja a un alambre de pollo. Los científicos pueden despegar una capa de grafeno del grafito (el mismo material que se encuentra en la mina de lápiz) para estudiar sus propiedades. En la década de 2010, investigadores predijeron que apilar dos capas de grafeno en un ángulo muy preciso podría crear nuevos comportamientos electrónicos.

En 2018, el grupo de Jarillo-Herrero se convirtió en el primero en producir experimentalmente este grafeno de "ángulo mágico" y revelar sus extraordinarias propiedades. Ese trabajo dio inicio a un nuevo campo de investigación conocido como "twistrónica", que estudia los sorprendentes efectos que emergen cuando materiales ultradelgados se apilan y se tuercen en orientaciones exactas. Desde entonces, el equipo y otros han explorado una variedad de estructuras de grafeno con múltiples capas, revelando más signos de superconductividad no convencional.

Cómo cooperan los electrones

La superconductividad ocurre cuando los electrones forman pares en lugar de dispersarse a medida que se mueven a través de un material. Estos electrones emparejados, conocidos como "pares de Cooper", pueden viajar sin resistencia, creando un flujo perfecto de corriente.

"En los superconductores convencionales, los electrones en estos pares están muy alejados entre sí y débilmente unidos", dijo Jeong Min Park, coautora principal. "Pero en el grafeno de ángulo mágico, ya pudimos ver señales de que estos pares están muy fuertemente unidos, casi como una molécula. Había indicios de que hay algo muy diferente en este material."

Sondeando el mundo cuántico a través del túnel

Para probar que el MATTG exhibe realmente superconductividad no convencional, los investigadores del MIT necesitaban medir directamente su hueco superconductivo. Como explica Park, "Cuando un material se vuelve superconductivo, los electrones se mueven juntos en pares en lugar de individualmente, y hay un 'hueco' de energía que refleja cuán unidos están. La forma y simetría de ese hueco nos dicen la naturaleza subyacente de la superconductividad."

Para hacer esto, los científicos utilizaron una técnica a escala cuántica conocida como espectroscopía de túnel. A este nivel, los electrones actúan tanto como partículas como ondas, lo que les permite "túnel" a través de barreras que normalmente los detendrían. Al estudiar cuán fácilmente los electrones pueden atravesar un material, los investigadores pueden aprender cuán fuertemente están unidos dentro de él. Sin embargo, los resultados de túneles por sí solos no siempre prueban que un material sea superconductivo, lo que hace que las mediciones directas sean cruciales y desafiantes.

Una mirada más cercana al hueco superconductivo

El equipo de Park desarrolló una nueva plataforma que combina la espectroscopía de túnel con mediciones de transporte eléctrico, que implican rastrear cómo se mueve la corriente a través del material mientras se monitorea su resistencia (cero resistencia significa que es superconductivo).

Utilizando este método en el MATTG, los investigadores pudieron identificar claramente el hueco de túnel superconductivo: apareció solo cuando el material alcanzó cero resistencia, la marca definitoria de la superconductividad. A medida que cambiaron la temperatura y el campo magnético, el hueco mostró una curva en forma de V aguda, muy diferente del patrón suave y plano típico de los superconductores convencionales.

Esta inusual forma en V apunta a un nuevo mecanismo detrás de la superconductividad del MATTG. Aunque el proceso exacto aún se desconoce, ahora está claro que este material se comporta de manera diferente a cualquier superconductor convencional descubierto anteriormente.

Un tipo diferente de emparejamiento de electrones

En la mayoría de los superconductores, los electrones se emparejan debido a las vibraciones en la red atómica circundante, que los empujan suavemente juntos. Park cree que el MATTG opera de manera diferente.

"En este sistema de grafeno de ángulo mágico, hay teorías que explican que el emparejamiento probablemente surge de fuertes interacciones electrónicas en lugar de vibraciones de la red", dice. "Eso significa que los electrones mismos ayudan a emparejarse, formando un estado superconductivo con simetría especial."

El camino a seguir: materiales cuánticos de próxima generación

El equipo del MIT planea aplicar su nuevo sistema experimental para estudiar otros materiales torcidos y en capas.

"Esto nos permite identificar y estudiar las estructuras electrónicas subyacentes de la superconductividad y otros estados cuánticos a medida que ocurren, dentro de la misma muestra", explica Park. "Esta vista directa puede revelar cómo se emparejan los electrones y compiten con otros estados, allanando el camino para diseñar y controlar nuevos superconductores y materiales cuánticos que podrían algún día alimentar tecnologías más eficientes o computadoras cuánticas."

Esta investigación recibió apoyo de la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU., la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU., el Fondo de Investigación de Semiconductores MIT/MTL Samsung, el Programa de Puente Sagol WIS-MIT, la Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación Gordon y Betty Moore, y la Fundación Ramón Areces.

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