El grafeno retorcido podría impulsar una nueva generación de electrónica superconductora

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En 2018, un grupo de investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) logró un deslumbrante truco de magia en la ciencia de los materiales.

Apilaron dos tarjetas microscópicas de grafeno (láminas de carbono de un átomo de espesor) y torcieron una muy levemente.

La aplicación de un campo eléctrico transformó la pila de un conductor a un aislante y luego, de repente, en un superconductor: un material que conduce la electricidad sin fricción.

Docenas de laboratorios se lanzaron al campo recién nacido de la “twistronics”, con la esperanza de crear nuevos dispositivos electrónicos sin las molestias de fusionar materiales químicamente diferentes.

Dos grupos, incluido el grupo pionero del MIT, ahora están cumpliendo esa promesa al convertir el grafeno retorcido en dispositivos que funcionan, incluidos interruptores superconductores como los que se utilizan en muchas computadoras cuánticas.

Los estudios marcan un paso crucial para el material, que ya se está convirtiendo en una herramienta científica básica capaz de capturar y controlar electrones y fotones individuales.

Ahora, se muestra prometedor como base de nuevos dispositivos electrónicos, dice Cory Dean, un físico de materia condensada de la Universidad de Columbia, cuyo laboratorio fue uno de los primeros en confirmar las propiedades superconductoras del material después del anuncio de 2018.

“La idea de que esta plataforma se pueda utilizar como material universal no es una fantasía”, dice.

“Se está convirtiendo en un hecho“.

El secreto detrás de la naturaleza camaleónica del grafeno retorcido radica en el llamado “ángulo mágico“.

Cuando los investigadores giran las hojas exactamente 1,1 °, el giro crea un patrón de “muaré” a gran escala, el equivalente a escala de átomo de las bandas más oscuras que se ven cuando se yuxtaponen dos cuadrículas.

Al unir miles de átomos, el muaré les permite actuar al unísono, como superátomos.

Ese comportamiento colectivo permite que un número modesto de electrones, guiados al lugar correcto por un campo eléctrico, cambie radicalmente el comportamiento del material, de aislante a conductor a superconductor.

Las interacciones con las supercélulas también obligan a los electrones a disminuir la velocidad y sentir la presencia del otro, lo que hace que sea más fácil para ellos emparejarse, un requisito para la superconductividad.

Ahora, los investigadores han demostrado que pueden marcar las propiedades deseadas en pequeñas regiones de la hoja golpeando un patrón de “puertas” metálicas que someten diferentes áreas a campos eléctricos variables.

Ambos grupos construyeron dispositivos conocidos como uniones Josephson, en las que dos superconductores flanquean una capa delgada de material no superconductor, creando una válvula para controlar el flujo de superconductividad.

“Una vez que se ha demostrado que el mundo está abierto”, dice Klaus Ensslin, físico de ETH Zurich y coautor de uno de los estudios, publicado en el servidor de preimpresión arXiv.

Las uniones Josephson convencionales sirven como el caballo de batalla de la electrónica superconductora, que se encuentra en los dispositivos magnéticos para monitorear la actividad eléctrica en el cerebro y en los magnetómetros ultrasensibles.

El grupo del MIT fue más allá, transformando eléctricamente sus uniones Josephson en otros dispositivos submicroscópicos, “solo como prueba de concepto, para mostrar cuán versátil es esto“, dice el líder del laboratorio Pablo Jarillo-Herrero, cuyo grupo publicó sus resultados también en arXiv.

Al ajustar el carbono en una configuración conductor-aislante-superconductor, pudieron medir qué tan apretados estaban los pares de electrones, una pista temprana de la naturaleza de su superconductividad y cómo se compara con otros materiales.

El equipo también construyó un transistor que puede controlar el movimiento de electrones individuales;

Los investigadores han estudiado estos interruptores de un solo electrón como una forma de contraer circuitos y disminuir su sed de energía.

Es poco probable que los dispositivos de grafeno de ángulo mágico desafíen la electrónica de silicio de consumo en el corto plazo.

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El grafeno en sí es fácil de hacer: las láminas de él se pueden quitar de los bloques de grafito con nada más que cinta adhesiva.

Pero los dispositivos deben enfriarse casi hasta el cero absoluto antes de que puedan superconducir.

Y mantener el giro preciso es incómodo, ya que las sábanas tienden a arrugarse, interrumpiendo el ángulo mágico.

La creación confiable de láminas suavemente retorcidas de solo 1 micra o dos de ancho sigue siendo un desafío, y los investigadores aún no ven un camino claro hacia la producción en masa.

“Si quisieras hacer un dispositivo realmente complejo“, dice Jarillo-Herrero, “necesitarías crear cientos de miles de [sustratos de grafeno] y esa tecnología no existe“.

Sin embargo, muchos investigadores están entusiasmados con la promesa de explorar dispositivos electrónicos sin preocuparse por las limitaciones de la química.

Los científicos de materiales suelen tener que encontrar sustancias con las propiedades atómicas adecuadas y fusionarlas.

Y cuando la mezcla esté terminada, es posible que los diferentes elementos no encajen de la manera deseada.

En el grafeno de ángulo mágico, por el contrario, todos los átomos son carbono, lo que elimina los confusos límites entre los diferentes materiales.

Y los científicos pueden cambiar el comportamiento electrónico de cualquier parche con solo presionar un botón.

Estas ventajas otorgan un control sin precedentes sobre el material, dice Ensslin. “Ahora puedes tocar como en un piano”.

Ese control podría simplificar las computadoras cuánticas.

Las que están desarrollando Google e IBM se basan en las uniones Josephson con propiedades que se fijan durante la fabricación.

Para operar los quisquillosos qubits, las uniones deben manipularse conjuntamente de formas engorrosas.

Sin embargo, con el grafeno retorcido, los qubits podrían provenir de uniones únicas que son más pequeñas y más fáciles de controlar.

Kin Chung Fong, físico de la Universidad de Harvard y miembro del equipo de computación cuántica de Raytheon BBN Technologies, está entusiasmado con otro uso potencial del material.

En abril, él y sus colegas propusieron un dispositivo de grafeno retorcido que podría detectar un solo fotón de luz infrarroja lejana.

Eso podría ser útil para los astrónomos que exploran la tenue luz del universo primitivo; sus sensores de corriente pueden detectar fotones solitarios solo en las partes visibles o casi visibles del espectro.

El campo de la twistronics permanece en su infancia, y el complicado proceso de retorcer partículas microscópicas de grafeno a la posición mágica todavía requiere un juego de manos, o al menos un hábil trabajo de laboratorio.

Pero independientemente de si el grafeno retorcido llega a la electrónica industrial, ya está cambiando profundamente el mundo de la ciencia de los materiales, dice Eva Andrei, física de materia condensada en la Universidad de Rutgers, New Brunswick, cuyo laboratorio fue uno de los primeros en notar las características peculiares del grafeno retorcido. propiedades.

“Es una era realmente nueva“, dice.

“Es una forma totalmente nueva de fabricar materiales sin química“.

Fuente: Science Mag