Crean el dispositivo cuántico más versátil del mundo gracias al ‘ángulo mágico’ del grafeno

2022-03-16 08:38:44 By : Mr. Alvin Huang

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El físico valenciano Pablo Jarillo-Herreno, que trabaja en el prestigioso Massachusetts Institut of Technology (MIT), realizó junto a su equipo un hallazgo en 2018 que revolucionó el mundo de la Física. Descubrió el llamado ángulo mágico del grafeno, que permite que este material bidimensional se convierta, entre otras cosas, en un superconductor.

Antes de ese hallazgo, el grafeno ya era un metal muy preciado entre los investigadores por ser el más fuerte, el más fino, conducir muy bien la electricidad, también el calor, ser transparente… Pero nunca nadie había imaginado que pudiera convertirse en un superconductor. Pues bien, Jarillo-Herrero y su equipo lo demostraron. Y todo gracias al descubrimiento del ángulo mágico del grafeno.

Este investigador suele usar la analogía de la baraja de cartas para explicar a los neófitos sobre la materia qué es el grafeno. Una baraja de cartas es un material tridimensional que está hecho de materiales bidimensionales, que son las cartas. Si se ponen una encima de la otra, se obtiene una baraja.

Siguiendo con el paralelismo, el grafeno sería una carta y el grafito, de lo que están hechas las minas de los lápices, el material tridimensional. “Cuando tú escribes con un lápiz es como si cogieras una baraja de cartas y la extendieras sobre una mesa, dejando un trazo. El grafeno es como una carta de la baraja, sólo que en este caso la baraja está hecha de planos atómicos”, explica Jarillo-Herrero.

Pues bien, este investigador se dio cuenta de que rotando dos grafenos a 1,1 grados el uno respecto al otro (el ángulo mágico), el sistema se comportaba de manera diferente que un grafeno estándar, convirtiéndose, entre otras cosas, en un superconductor (un descubrimiento que le valió, entre otras muchas distinciones, el Premio Wolf en 2020, que supone la antesala de los Nobel).

Pero ahora él y su equipo han ido un paso más allá y han demostrado que aplicando distintos campos eléctricos al grafeno (a través de la implantación de electrodos metálicos) se pueden conseguir distintos estados físicos -e incluso diversas combinaciones de los mismos en serie- en un único material: desde un superconductor, a un aislante o un metal normal y corriente.

Daniel Rodan-Legrain, sosteniendo un portador de chips utilizado en la investigación, junto a un refrigerador similar al que se ha usado en el estudio 

“Es algo fascinante”, explica a La Vanguardia el físico Daniel Rodan-Legrain, primer autor del artículo, publicado en la revista Nature Nanotechnology, y miembro del equipo de Jarillo-Herrero en el MIT. “Tienes todos estos estados dentro de un mismo material que puedes controlar a voluntad a través de un electrodo metálico al cual le aplicas un voltaje mediante algo tan sencillo, si se quiere, como una pila. En nuestro caso, nosotros contamos con máquinas y aplicamos el voltaje que queremos, y con eso podemos controlar las propiedades de nuestro material”, añade.

El hecho de que en un solo material se tengan tan a mano todos estos estados de la materia es algo que no se había conseguido en ninguna otra plataforma. “Cuando se descubrió el ángulo mágico rotado en el grafeno ya se vio que podía ser una posibilidad combinar varios de estos estados en un solo material. Nosotros lo hemos demostrado”, agrega Rodan-Legrain.

En la actualidad, si se desea conseguir este mismo efecto en otros materiales, es necesario poner en marcha “un proceso que dura semanas, añadiendo partículas químicas que están cargadas positiva o negativamente, y hacerlo cada vez que se quiere cambiar sus propiedades”, arguye este investigador. 

“Pero en nuestro caso y en cuestión de segundos, podemos cambiar las propiedades de nuestro material para convertirlo en un aislante muy bueno, un aislante correlacionado (que tiene mucho interés en el mundo de la Física), un superconductor o un metal”, añade.

Uno se puede preguntar: ¿por qué es interesante este hallazgo? Para empezar, porque ahora existe la posibilidad de crear todos los estados que son útiles en el día a día de la electrónica en un único material. “O sea, si queremos crear un circuito, ahora tenemos prácticamente todos los elementos en un solo material. Poniendo electrodos metálicos de forma inteligente en algunos puntos, podemos hacer que nuestro circuito nos conduzca la electricidad hacia un lado u otro, lo podemos hacer conducir tan bien o mal como queramos… O sea, que podemos crear un circuito versátil con un único material”, apunta Rodan-Legrain.

Pero todavía señala otro aspecto que puede resultar más interesante: la posibilidad de crear dispositivos cuánticos versátiles. ¿Qué son dispositivos cuánticos? Dentro de un circuito eléctrico hay dispositivos elementales que son los que lo forman. Por ejemplo, en electrónica convencional están los transistores, que son como interruptores que controlan la operación lógica de un material.

“En nuestro caso, hemos creado tres dispositivos cuánticos en un mismo dispositivo. Depende de cómo apliquemos el voltaje en nuestro material, podemos obtener una cosa que es trivial (un metal, un superconductor, un aislante y ya está) o podemos hacer una unión de Josephson, un transistor de electrón único o podemos usar este material para estudiar las propiedades del estado superconductor del grafeno rotado al ángulo mágico, que es una cuestión que se está estudiando mucho, y que nosotros hemos podido entender un poco mejor”, explica el autor principal de la investigación.

Cada uno de estos tres dispositivos se utiliza en la actualidad en el campo de la electrónica, pero lo que ha conseguido el equipo de Jarillo-Herrero es juntarlos en un único material y en un mismo tipo de dispositivo, pudiendo cambiar de uno al otro a voluntad.

Una unión de Josephson es el elemento básico de un circuito superconductor. El físico Brian David Josephson lo predijo hace casi 60 años tomando dos superconductores, que son materiales que conducen muy bien la electricidad sin ninguna pérdida, y separándolos mediante un material delgado que no fuera superconductor.

“La intuición diría que haciendo este proceso la superconducción entre los dos materiales se rompe. Pero resulta que si los dos superconductores están suficientemente cercanos, la superconductividad puede pasar a través de ese material ubicado entre ambos que no es superconductor, y seguir superconduciendo”, relata Rodan-Legrain.

Las uniones de Josephson tienen muchas aplicaciones en la actualidad en el mundo real. Se usan para hacer computadores cuánticos, que no funcionan con bits, sino con cúbits, cuyo elemento fundamental es una unión de Josephson. “También se utilizan en medicina para monotorizar el cerebro. Incluso para definir qué es un voltio. Van muy bien para detectar campos magnéticos con una alta precisión”, añade el autor principal del estudio.

En una unión de Josephson convencional no es posible hacer del material que separa los dos superconductores un aislante mejor o peor y por tanto controlar la cantidad de supercorriente que atraviesa esa unión.

“Pero en nuestro caso sí”, afirma Rodan-Legrain. “Imagínate que tenemos tres zonas: la izquierda y la derecha, que son superconductores, y la del medio, que es una aislante. ¿Que el aislante lo haces mejor? Pues frena más la supercorriente e incluso puede neutralizarla. ¿Que el aislante lo haces peor? Pues quiere decir que conduce más y puedes tener una supercorriente mayor. ¿Que quieres que tu unión de Josephson no conduzca? Pues las zonas superconductoras las vuelves aislantes y se ha acabado el problema”, agrega.

En la actualidad, si se quiere contar con una unión de Josephson mínimamente modificable, es necesario combinar distintos materiales, algo que resulta muy complejo a nivel de fabricación. Y si se quiere que sea de un solo precursor, por ejemplo aluminio, tiene el problema de que no es cristalina (tiene impurezas), y se pierde esa versatilidad.

En las uniones de Josephson convencionales en el mundo de la supercomputación cuántica se usa el aluminio como superconductor y óxido de aluminio como aislante. El problema del óxido de aluminio es que no es posible modificar sus propiedades, además de no ser cristalino. “Pero ahora esto queda solventado: con un solo material, el grafeno rotado en el ángulo mágico, tenemos una unión de Josephson perfectamente modificable y cristalina”, subraya Rodan-Legrain.

El segundo dispositivo que han creado es lo que se llama espectroscopia de efecto túnel. Los electrones, cuando superconducen, se aparejan de dos en dos. Pues bien, estudiando el efecto túnel es posible ver sus energías en el estado superconductor y qué les hace precisamente superconducir. “Se trata de un primer paso para entender mejor por qué superconduce este sistema”, arguye el autor principal de la investigación.

El grafeno, una malla de átomos de carbono, dispuestos en hexágonos.

El tercer dispositivo cuántico, y último, es un transistor de electrón único (dispositivos que consumen muy poca energía y que son muy pequeños), que se podría llegar a usar para el internet de las cosas. En este dispositivo, hay tres zonas metálicas separadas entre ellas por un aislante, y en función de los voltajes que se aplican, los electrones pueden saltar de un metal a otro o no hacerlo, controlando de manera muy precisa, electrón a electrón, su movimiento.

“Nuestro trabajo tiene varios aspectos pioneros. Por un lado, hemos fabricado la unión de Josephson más versátil del mundo. Esta versatilidad nos ha permitido estudiar física fundamental de superconductores en 2D que hasta ahora no se había investigado, ya que la superconductividad en 2D y en 3D tiene distintas características”, explica Pablo Jarillo-Herrero, responsable principal del estudio.

“Tener uniones de Josephson controladas electrónicamente podría dar paso a nuevas aplicaciones en tecnologías tales como ordenadores cuánticos o detectores cuánticos de luz y radiación, pero aun queda mucha investigación básica por hacer”, concluye.

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