Grafeno de ‘ángulo mágico’: de aislante a superconductor en un clic

La ciencia tiene tiempos muy distintos a los de las cotidianas necesidades de la industria, el comercio y su marketing; y a la constante y perentoria exigencia de retornos de la inversión especulativa. Pero hay veces en las que ni quisiera la ciencia puede escapar a generar inmediatas y grandes expectativas. Es el caso de los nuevos materiales bi-dimensionales, los más finos que han existido, existen o existirán, como el grafeno.

En abril de 2018 la revista Nature publicaba dos artículos distintos del mismo campo al equipo de investigación del MIT liderado por el español Pablo Jarillo-Herrero. El primero, sobre los resultados de una investigación que señalaban que, si dos capas de grafeno (capas de átomos de carbono en una red hexagonal de un solo átomo de espesor), expuestas a un pequeño campo eléctrico y enfriadas a 1,7 grados sobre el cero absoluto (-271,4 grados centígrados), eran giradas entre sí en un ángulo cercano a 1,1º (que los investigadores de este material llaman ‘ángulo mágico’), se convertían sorprendentemente, en un material aislante. 

Y ese mismo día, Nature, excepcionalmente, también publicaba al Jarillo-Herrero Group del MIT, otros resultados aún más extraordinarios. Si a las citadas capas de grafeno giradas se aplica un cambio en su campo eléctrico, de pronto, se convierten en un material superconductor, en el que la electricidad fluye sin resistencia y por tanto sin pérdida de energía. 

Siete meses después, otros grupos de investigación han comprobado de forma independiente aquellos resultados. La revista Physics World, del prestigioso Instituto de Física (IOP), eligió estos hallazgos científicos como el descubrimiento científico más destacado a nivel mundial de 2018. Nature refrendó esta elección publicándolos en el primer lugar de su lista de los diez mejores descubrimientos del año. 

"Agitando la física"

Pablo Jarillo-Herrero ha dialogado con INNOVADORES. El 2 de enero Nature volvió a su tema con el artículo titulado Cómo el ‘ángulo mágico’ del grafeno está agitando la física que comienza elocuentemente así: "Fue lo más cerca que estuvo el físico Pablo Jarillo-Herrero de ser una estrella de rock. Cuando se levantó en marzo para dar una charla en Los Ángeles, California, vio a una multitud de científicos hacinados en cada rincón de la sala de su charla… Hubo de transmitirse la sesión a un enorme espacio adyacente, donde se había reunido una multitud de personas que sólo podían estar de pie". 

Jarillo-Herrero relata así sus sensaciones: "Estábamos seguros, porque lo habíamos comprobado muchas veces en el MIT, de habíamos descubierto algo importante". Los primeros anuncios oficiales se hicieron en un seminario en Stanford y en una charla ante la Sociedad Americana de Física. "Solo les envié un sucinto abstract, pero resultó que Nature pudo sacar online los dos artículos del descubrimiento el primer día de la Conferencia, así que se había corrido la voz. Nuestra sala estaba hasta los topes con gente sentada en el suelo, y decidieron retrasmitirla en una pantalla en el gran lobby del Palacio de Congresos". 

"Mi conferencia en Los Ángeles, fue una locura. En aquel lobby se juntó una multitud, más de mil personas. Fue muy emocionante. La gente estaba muy entusiasmada con el descubrimiento. Revitaliza la física fundamental de los materiales bi-dimensionales, sobre todo del grafeno". 

Según explica, "se ha generado una expectación muy grande porque este comportamiento del grafeno es totalmente inesperado. Hay conferencias en marcha para comprender esta superconductividad que hemos descubierto. Mucha gente se ha puesto a investigar en ello. Nuestro artículo es el más citado entre 17.000 de física en Nature. Estos meses ha sido abrumadora la respuesta. He dado más charlas este último año sobre grafeno que en toda mi vida. Mi doctorando del grupo Yuan Cao, que cita el primer artículo ‘Nature 10’, está dando también multitud de charlas".

Una 'piedra Rosetta'  

Elizabeth Gibney corrobora en Nature la emoción que embarga a los físicos del grafeno a raíz del descubrimiento del Jarillo-Herrero Group del MIT. Se pensaba que las notables propiedades de las interacciones o "correlaciones" más fuertes entre electrones, eran comportamientos ligados siempre a extraños estados de la materia y a materiales muy complejos. La clave de las expectativas generadas es que ahora se basa en el grafeno, un material muy sencillo. 

Los materiales conocidos que superconducen a temperaturas relativamente altas (aunque muy por debajo de 0° C) llevan desconcertado a los físicos más de tres décadas. Y la superconductividad en un material tan simple como el grafeno obedece al mismo mecanismo. Por eso, según Gibney, podría convertirse una especie de Piedra Rosetta para descifrar el fenómeno de la superconductividad. Obviamente, está especialmente ansiosa de saber sobre ello la industria que ya ha empezado a usar la superconductividad en grandes máquinas funcionando en el mundo real. 

"Imaginemos las capas de grafeno, o de un material-bidimensional, como los naipes de una baraja. La posibilidad de girar un ‘naipe’ sobre otro, con un ángulo concreto arbitrario que podemos escoger nosotros es algo que no tiene precedentes, que no se había podido hacer antes de los descubrimientos en materiales bi-dimensionales. Había físicos teóricos que habían predicho un comportamiento inusual, sin decir cuál, y que las propiedades electrónicas del material, al girar dos superficies, cambiarían", explica Jarillo-Herrero. 

"Nuestro equipo intentó hacer esto y encontrar el ángulo en que eso era más relevante. Y ocurrió, después de muchas pruebas que, cuando lo situabas girado en ese ángulo, no solo cambiaban sus propiedades, sino que el cambio era tremendo. En estas condiciones, el material se vuelve lo que se llama un ‘aislante correlacionado’ cuando no debería serlo, y lo es por las especiales interacciones de los electrones en este material", añade.

Pero una sorpresa, mayor aún, le esperaba al equipo. Continúa Pablo: "Vimos que cuando cambiabas un poquito la carga eléctrica, se da un ‘efecto campo’, parecido al que se usa en los transistores actuales. Es decir, cambiando la densidad de carga de los electrones en el grafeno,… ¡el material se vuelve superconductor! Un material normal tiene unas densidades carga entre de 10 elevado a 14 o 10 elevado a 15 electrones por cm2. Que el grafeno superconduzca con una densidad de carga de 10 elevado a 11 resulta algo increíble y totalmente inesperado. De hecho, que esta densidad sea tan baja, es lo que permite que podamos inducir esta superconductividad o no, y con un campo eléctrico pequeño. Algo que no se había podido hacer antes de esta manera tan ‘fina", continúa el investigador español del MIT.  

"Estamos asistiendo a "una pequeña revolución en este campo", dice Jarillo-Herrero. El físico Cory Dean de la Universidad de Columbia en Nueva York afirma que esta superconductividad del grafeno abre "oportunidades abrumadoras". Pablo explica que "o son en dos aspectos. Por un lado, en la cantidad de nueva física que se abre y que podamos abordar con este tipo de estructuras de un material tan simple con el grafeno, en lugar de materiales muy complejos como los superconductores actuales de alta temperatura crítica. Y por otro, ahora sabemos que este es un comportamiento bastante general en los materiales bi-dimensionales, que podemos rotar entre sí, y ello crea una nueva física de interacción fuerte, que da lugar a ‘aislantes exóticos correlacionados’ o a superconductores que se parecen a los de alta temperatura".

¿La era del grafeno 2.0?

Si las oportunidades potenciales citadas son abrumadoras, también lo serán las expectativas y quizás, en breve, alguien pueda declarar abierta la ‘Era del grafeno 2.0’. Jarillo-Herrero matiza: "Es muy razonable tener expectativas, pero han de ser realistas. Este descubrimiento es solo un primer paso". En el campo de las grandes empresas y la ciencia, ya hay ejemplos de aplicación de superconductores. Por ejemplo, los imanes del acelerador de protones del Fermilab, de Chicago. Las empresas del sector eléctrico ahorrarían una enorme cantidad de dinero si consiguieran usar cables superconductores a temperatura ambiente. 

La opción de Pablo y su equipo siempre es el ‘enfoque cauteloso’: "Se trata de un superconductor que puedes modificar electrónicamente. Con un voltaje, ya podemos hacerlo superconductor o aislante; o sea, modulable, como entre ‘off’ y ‘on’. Superconductores modulables hay muy, muy pocos. Se pueden contar con los dedos de una sola mano. Si se invierte lo suficiente, un superconductor modulable eléctricamente sería muy interesante para construir ordenadores cuánticos, por ejemplo".

También es concebible para hacer informática clásica de la llamada ‘criogénica’. "Ya hay empresas de vanguardia trabajando en nueva informática de muy baja temperatura, que disipa mucha menos energía, algo que en las las grandes instalaciones informáticas (data center, granjas de servidores, etc.), se ha vuelto decisivo. Otro uso posible para ordenadores normales, no cuánticos, es hacer ‘electrónica superconductora’. En este caso, disponer de componentes modulables entre superconductor y aislante, es una enorme ventaja para conseguir alta computación de alta eficiencia y muy bajo consumo de energía".

Uno de los problemas que se persigue resolver es que los superconductores sean viables sin bajar su temperatura hasta casi el cero absoluto, como ocurre ahora. El sueño es conseguir superconductores que funcionen a temperatura ambiente. Pablo pone los pies en el suelo: "El reto de aumentar lo que se llama la temperatura crítica de los superconductores es un reto muy fuerte. Pero si consiguiéramos llegar a entender bien cómo funciona la superconductividad en el grafeno de ‘ángulo mágico’, es posible".