Los físicos descubren una ‘familia’ de estructuras de grafeno fuertes y superconductoras

(Noticias de NanwerkCuando se trata de grafeno, la superconductividad parece venir de familia. El grafeno es un material de un átomo de espesor Se puede despegar del mismo grafito que el lápiz. El material ultrafino está hecho completamente de átomos de carbono dispuestos en un patrón hexagonal simple, similar al de la malla gallinera. Desde su aislamiento en 2004, se ha descubierto que el grafeno incorpora muchas propiedades notables en su forma monocapa.

En 2018, los investigadores del MIT descubrieron que si se apilaban dos capas de grafeno en un ángulo «mágico» muy específico, la estructura de bicapa retorcida podría exhibir una fuerte superconductividad, un estado físico ampliamente deseado a través del cual puede fluir una corriente eléctrica sin pérdida de energía. Recientemente, el mismo grupo encontró un estado superconductor similar que se encuentra en el grafeno retorcido de tres capas, una estructura hecha de tres capas de grafeno apiladas en un ángulo mágico nuevo y preciso.

El equipo ahora ha informado que, lo adivinó, cuatro y cinco capas de grafeno se pueden enrollar y apilar en nuevos ángulos mágicos para obtener una fuerte superconductividad a temperaturas más bajas. Este último descubrimiento fue publicado en materiales de la naturaleza («Fuerte superconductividad en la familia de grafeno multicapa de ángulo mágico»), identifica las diversas configuraciones retorcidas y apiladas de grafeno como la primera ‘familia’ conocida de superconductores de ángulo mágico multicapa. El equipo también identificó similitudes y diferencias entre los miembros de la familia del grafeno. Ilustración que muestra pares de Cooper superconductores en la familia de grafeno multicapa de ángulo mágico. Las capas adyacentes están retorcidas de manera alterna. (Foto: Estudio Ella Maru)

Los resultados podrían servir como modelo para diseñar superconductores prácticos a temperatura ambiente. Si las propiedades se pueden replicar entre los miembros de la familia en otros materiales conductores naturales, se pueden aprovechar, por ejemplo, para conducir electricidad sin disipación o construir trenes magnéticos que funcionen sin fricción.

«El sistema de grafeno de ángulo mágico es ahora una ‘familia’ legítima, que trasciende dos sistemas», dice el autor principal Jeong Min (Jin) Park, estudiante graduado en el Departamento de Física del MIT. «Tener esta familia es especialmente significativo porque proporciona una forma de diseñar superconductores duraderos».

Los coautores del MIT incluyen a Yuan Kao, Li-Kiao Xia, Shuen Sun y Pablo Jarillo-Herrero, profesor de física Cecil e Ida Green, junto con Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Tsukuba, Japón.

«sin limites»

El grupo Jarillo-Herrero fue el primero en descubrir el grafeno de ángulo mágico, en forma de una estructura de dos capas de dos láminas de grafeno, colocadas una encima de la otra y ligeramente desplazadas en un ángulo preciso de 1,1 grados. Esta configuración retorcida, conocida como superconductor, convierte el material en un superconductor fuerte y continuo a temperaturas extremadamente bajas.

Los investigadores también encontraron que el material exhibía un tipo de estructura electrónica conocida como «cinta plana», en la que los electrones del material tienen la misma energía, independientemente de su impulso. En este estado de banda plana y a temperaturas extremadamente frías, los electrones sobrecalentados generalmente se ralentizan lo suficiente como para acoplarse en lo que se conoce como pares de Cooper, componentes clave de la superconductividad que pueden fluir a través del material sin resistencia. Los físicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts han creado grafeno retorcido como una nueva «familia» de superconductores fuertes, cada miembro consiste en capas alternas de grafeno, apiladas en ángulos específicos. (Foto cortesía de los investigadores)

Si bien los investigadores notaron que el grafeno bicapa retorcido exhibía tanto superconductividad como una estructura de banda plana, no estaba claro si el primero se originó a partir del último.

«No hubo evidencia de que la estructura de banda plana condujera a la superconductividad», dice Park. Desde entonces, otros grupos han producido otras estructuras retorcidas de otros materiales que tienen algunas bandas planas, pero que en realidad no tienen una superconductividad tan fuerte. Entonces nos preguntamos: ¿Podemos producir otro dispositivo superconductor de banda plana? »

Cuando analizaron esta pregunta, un grupo de la Universidad de Harvard dedujo cálculos que confirmaron matemáticamente que tres capas de grafeno, torcidas a 1,6 grados, también mostrarían bandas planas y sugirieron que podrían ser superconductoras. Continuaron demostrando que no debería haber límite para la cantidad de capas de grafeno que exhiben superconductividad, si se apilan y deforman de la manera correcta, en los ángulos que predijeron. Finalmente, demostraron que podían vincular matemáticamente cada estructura multicapa con la estructura de banda plana común, una fuerte evidencia de que la formación de bandas planas puede conducir a una fuerte superconductividad.

«Descubrieron que podría haber toda esta jerarquía de estructuras de grafeno, en capas infinitas, lo que podría corresponder a una expresión matemática similar a la estructura de banda plana», dice Park.

Poco después de este trabajo, el grupo de Jarillo-Herrero descubrió que la superconductividad y una banda plana aparecían en el grafeno retorcido de tres capas: tres láminas de grafeno, apiladas como un sándwich de queso, y desplazaron la capa intermedia de queso 1,6 grados con respecto a la exterior. capas confinadas. Pero la estructura de tres capas también mostró diferencias sutiles en comparación con su contraparte de dos capas.

«Esto nos hizo preguntarnos, ¿dónde encajan estas dos estructuras en términos de toda la clase material y pertenecen a la misma familia?» Parque dice.

familia no convencional

En el estudio actual, el equipo buscó aumentar la cantidad de capas de grafeno. Hicieron dos nuevas estructuras, compuestas por cuatro y cinco capas de grafeno, respectivamente. Cada estructura se apila alternativamente, de forma similar a una hamburguesa con queso cambiante de grafeno retorcido de tres capas.

El equipo mantuvo las estructuras en un refrigerador por debajo de 1 K (alrededor de -273 grados Celsius), condujo una corriente eléctrica a través de cada estructura y midió la salida en diferentes condiciones, similar a las pruebas para sus sistemas de dos y tres capas.

En general, encontraron que el grafeno retorcido de cuatro y cinco capas también exhibe una fuerte superconductividad y una banda plana. Las estructuras también comparten otras similitudes con su contraparte de tres capas, como su respuesta bajo un campo magnético de fuerza, ángulo y dirección variables.

Estos experimentos mostraron que las estructuras de grafeno retorcidas pueden considerarse como una nueva familia o clase de materiales superconductores comunes. Los experimentos también sugirieron que podría haber ovejas negras en la familia: la estructura bicapa original, aunque compartía características clave, también mostraba ligeras diferencias con respecto a sus hermanos. Por ejemplo, los experimentos anteriores del grupo mostraron que la superconductividad de la estructura colapsaba bajo campos magnéticos bajos y era más desigual con la rotación del campo, en comparación con sus hermanos de múltiples capas.

El equipo realizó simulaciones de cada tipo de estructura, buscando una explicación para las diferencias entre los miembros de la familia. Llegaron a la conclusión de que el hecho de que la superconductividad del grafeno bicapa torcido desaparezca bajo ciertas condiciones magnéticas se debe simplemente a que todas sus capas físicas están presentes en forma «invertida» dentro de la estructura. En otras palabras, no hay dos capas en la estructura que sean opuestas entre sí, mientras que los hermanos del grafeno multicapa muestran algún tipo de simetría especular. Estos resultados indican que el mecanismo que impulsa a los electrones a fluir en un estado superconductor fuerte es el mismo en toda la familia del grafeno retorcido.

«Esto es muy importante», señala Park. «Sin saberlo, la gente podría pensar que el grafeno bicapa es más convencional en comparación con las estructuras multicapa. Pero estamos mostrando que toda esta familia puede ser superconductores robustos y poco convencionales».