Los físicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts han notado signos de un tipo raro de superconductividad en un material llamado «ángulo mágico» del grafeno retorcido de tres capas. Crédito: Cortesía de Pablo Jarillo-Herrero, Yuan Cao, Jeong Min Park, et al.
Los nuevos hallazgos pueden ayudar a diseñar máquinas de resonancia magnética más potentes o potentes computadoras cuánticas.
Los físicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts han notado signos de un tipo raro de superconductividad en un material llamado grafeno de tres capas retorcido en ángulo mágico. En un estudio que aparece en naturalezaLos investigadores informan que el material exhibe superconductividad en campos magnéticos sorprendentemente altos de hasta 10 Tesla, que es tres veces más alto de lo que se esperaría que resistiera el material si fuera un superconductor convencional.
Los resultados sugieren fuertemente que el grafeno mágico de tres capas, que fue descubierto inicialmente por el mismo grupo, es un tipo muy raro de superconductor, conocido como «triplete de espín», impermeable a campos magnéticos altos. Estos superconductores exóticos podrían mejorar en gran medida técnicas como la resonancia magnética, que utiliza cables superconductores bajo un campo magnético para resonar con tejidos biológicos y obtener imágenes de ellos. Las máquinas de resonancia magnética están actualmente limitadas a campos magnéticos de 1 a 3 Tesla. Si pudieran construirse utilizando superconductores de triple espín, la resonancia magnética podría operar bajo campos magnéticos más altos para producir imágenes más claras y más profundas del cuerpo humano.
La nueva evidencia de la superconductividad de triple espín en el grafeno de triple capa también podría ayudar a los científicos a diseñar superconductores más fuertes para la computación cuántica práctica.
“El valor de este experimento es lo que nos enseña sobre la superconductividad básica y cómo se pueden comportar los materiales, de modo que con estas lecciones podamos intentar diseñar principios para otros materiales que sean más fáciles de fabricar, y tal vez eso les dé una mejor superconductividad, ”Dice Pablo Jarillo-Herrero, profesor de Física Cecil e Ida Green en el Instituto Tecnológico de Massachusetts.
Los coautores del artículo incluyen a Yuan Kao y el estudiante de posgrado Jeong Min Park en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Japón.
extraña transformación
Los materiales superconductores se definen por su capacidad altamente eficiente para conducir electricidad sin pérdida de energía. Cuando se exponen a una corriente eléctrica, los electrones de un superconductor se emparejan en «pares de cobre» que luego viajan a través del material sin resistencia, como los pasajeros de un tren rápido.
En la gran mayoría de los superconductores, estos pares de pasajeros tienen un giro opuesto, con un electrón girando hacia arriba y el otro hacia abajo, una configuración conocida como «giro singular». Estos pares son acelerados por un superconductor, a excepción de los campos magnéticos altos, que pueden desplazar la energía de cada electrón en direcciones opuestas, separando el par entre sí. De esta forma, y mediante mecanismos, los campos magnéticos elevados pueden alterar la superconductividad en los superconductores de espín convencionales.
«Esta es la razón fundamental por la que la superconductividad desaparece en un campo magnético lo suficientemente grande», dice Park.
Pero hay unos pocos superconductores extraños que no se ven afectados por los campos magnéticos, ni siquiera por fuerzas muy grandes. Estos materiales son superconductores a través de pares de electrones que tienen el mismo espín, una propiedad conocida como «triple espín». Cuando se exponen a campos magnéticos altos, la energía de ambos electrones en el par de Cooper se desplaza en la misma dirección, de tal manera que no están separados entre sí sino que continúan superconduciendo sin perturbaciones, independientemente de la fuerza del campo magnético.
El grupo de Jarillo-Herrero tenía curiosidad sobre si el grafeno de ángulo mágico de triple capa podría dar pistas sobre una superconductividad inusual de triple giro. El equipo ha realizado un trabajo innovador que estudia las estructuras muaré de grafeno: capas de celosías de carbono delgadas como átomos que, cuando se apilan en ángulos específicos, pueden conducir a comportamientos electrónicos sorprendentes.
Los investigadores informaron inicialmente propiedades tan peculiares en dos hojas de grafeno en ángulo, a las que llamaron grafeno bicapa mágico. Pronto siguieron las pruebas de grafeno de tres capas, una formación de sándwich de tres hojas de grafeno que resultó ser más fuerte que su contraparte de dos capas, al tiempo que conservaba su superconductividad a temperaturas más altas. Cuando los investigadores aplicaron un campo magnético modesto, notaron que el grafeno de tres capas era capaz de superconducirse a intensidades de campo que destruirían la superconductividad en el grafeno bicapa.
«Pensamos que esto era algo muy extraño», dice Jarilo Herrero.
regreso milagroso
En su nuevo estudio, los físicos probaron la superconductividad del grafeno de tres capas bajo campos magnéticos cada vez más altos. Fabricaron el material exfoliando capas delgadas de carbono a partir de un bloque de grafito, apilando tres capas juntas y rotando la capa intermedia 1,56 grados con respecto a las capas exteriores. Conectaron un electrodo a cada extremo del material para hacer pasar una corriente a través de él y medir la energía perdida en el proceso. Luego encendieron un gran imán en el laboratorio, con un campo que dirigieron paralelo al material.
Cuando aumentaron el campo magnético alrededor del grafeno de tres capas, notaron que la superconductividad se mantuvo con bastante fuerza antes de desaparecer, pero luego volvió a emerger de manera intrigante con intensidades de campo más altas, un resurgimiento muy inusual que no se sabe que ocurra en los superconductores convencionales.
«En los superconductores de un solo giro, si matas la superconductividad, nunca regresa, se ha ido para siempre», dice Kao. «Aquí, reapareció de nuevo. Así que esto definitivamente indica que este material no es una sola pieza».
También señalaron que después del «reingreso», la superconductividad persistía hasta 10 Tesla, la máxima intensidad de campo que podría producir un imán de laboratorio. Esto es aproximadamente tres veces más alto de lo que tendría que soportar un superconductor si fuera un espín simple convencional, según el límite de Pauli, una teoría que predice el campo magnético máximo en el que un material puede retener la superconductividad.
La aparición de superconductividad de grafeno de triple capa, combinada con su estabilidad en campos magnéticos más altos de lo esperado, descarta la posibilidad de que el material sea un superconductor ordinario. En cambio, es probable que sea una especie muy rara, probablemente triplete, que alberga pares de Cooper que atraviesan el material a gran velocidad, impermeables a los campos magnéticos elevados. El equipo planea perforar el material para confirmar su estado de giro preciso, lo que podría ayudar a diseñar resonancias magnéticas más potentes, así como computadoras cuánticas más potentes.
“La computación cuántica regular es muy frágil”, dice Jarillo Herrero. «Lo miras y desaparece homo. Hace unos 20 años, los teóricos propusieron un tipo de superconductividad topológica que, si se logra en cualquier material, podría [enable] Una computadora cuántica donde los estados responsables del cálculo son muy poderosos. Esto daría más poder infinito para hacer computación. El elemento clave a tener en cuenta son los superconductores de triple espín, de cierto tipo. No tenemos idea de si nuestra especie es de ese tipo. Pero incluso si este no fuera el caso, esto podría facilitar la colocación de grafeno de tres capas con otros materiales para diseñar este tipo de superconductividad. Podría ser un gran truco. Pero aún es demasiado pronto «.
Referencia: “Violación del límite de Pauli y reentrada de la superconductividad en el grafeno ondulado” Por Yuan Kao, Jeong Min Park, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi y Pablo Jarillo-Herrero, 21 de julio de 2021, naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03685-y
Esta investigación fue apoyada por el Departamento de Energía de EE. UU., La Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación Gordon y Betty Moore, la Fundación Ramon Arises y el Programa de Materiales Cuánticos Sevare.
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