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(Noticias de Nanowerk) Cuando se trata de grafeno, la superconductividad parece venir de familia.
El grafeno es un material delgado como un átomo que se puede pelar del mismo grafito que se encuentra en las minas de los lápices. 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 en su forma de monocapa incorpora numerosas propiedades notables.
En 2018, los investigadores del MIT descubrieron que si se apilaban dos capas de grafeno en un ángulo «mágico» muy específico, la estructura de doble capa retorcida podría exhibir una superconductividad robusta, un estado material muy buscado en el que la corriente eléctrica puede fluir sin pérdida. de energía. Recientemente, el mismo grupo descubrió que existe un estado superconductor similar en el grafeno tricapa retorcido, una estructura de tres capas de grafeno apiladas en un ángulo mágico nuevo y preciso.
Ahora, el equipo informa que, lo adivinaste, cuatro y cinco capas de grafeno se pueden torcer y apilar en nuevos ángulos mágicos para inducir una superconductividad robusta a bajas temperaturas. Este último descubrimiento, publicado en materiales naturales («Supraconductividad robusta en la familia de grafeno multicapa de ángulo mágico»), establece 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.
![Una ilustración que muestra pares de Cooper superconductores en la familia de grafeno de ángulo mágico multicapa](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id61039_1.jpg)
Los resultados podrían servir como modelo para el desarrollo de superconductores prácticos a temperatura ambiente. Si las propiedades de los miembros de la familia pudieran reproducirse en otros materiales naturalmente conductores, podrían usarse, por ejemplo, para suministrar electricidad sin disipación o para construir trenes de levitación magnética que funcionen sin fricción.
«El sistema gráfico de ángulo mágico es ahora una ‘familia’ legítima que se extiende más allá de unos pocos sistemas», dice el autor principal Jeong Min (Jane) Park, estudiante graduado en el Departamento de Física del MIT. «Tener esta familia es particularmente útil porque ofrece la oportunidad de desarrollar superconductores robustos».
Los coautores del MIT de Park incluyen a Yuan Cao, Li-Qiao Xia, Shuwen 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 límite»
El grupo de Jarillo-Herrero fue el primero en descubrir el grafeno de ángulo mágico, en forma de una estructura bicapa formada por dos capas de grafeno apiladas una encima de la otra y ligeramente desplazadas en un ángulo preciso de 1,1 grados. Esta configuración retorcida, conocida como superred Moiré, convirtió el material en un superconductor resistente y duradero a temperaturas ultrabajas.
Los investigadores también encontraron que el material exhibía un tipo de estructura electrónica conocida como «banda 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 ultrafrías, los electrones normalmente frenéticos se ralentizan lo suficiente como para emparejarse en los llamados pares de Cooper, componentes esenciales de la superconductividad que pueden fluir a través del material sin resistencia.
![gráfico retorcido](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id61039_2.jpg)
Si bien los investigadores observaron que el grafeno bicapa retorcido exhibía tanto superconductividad como una estructura de banda plana, no estaba claro si el primero evolucionó a partir del segundo.
«No hubo evidencia de que una estructura de banda plana condujera a la superconductividad», dice Park. «Desde entonces, otros grupos han fabricado otras estructuras retorcidas a partir de otros materiales que tienen una banda plana, pero no tenían una superconductividad realmente robusta. Entonces nos preguntamos: ¿podríamos hacer otro dispositivo de cinta superconductora?
Teniendo en cuenta esta pregunta, un grupo de la Universidad de Harvard derivó cálculos que confirmaron matemáticamente que tres capas de grafeno retorcidas 1,6 grados también exhibirían cintas planas y sugirieron que podrían ser superconductoras. Continuaron demostrando que no debería haber límite para la cantidad de capas de grafeno que exhiben superconductividad cuando se apilan y giran correctamente, en ángulos que también predijeron. Finalmente, demostraron que pueden relacionar matemáticamente cualquier estructura multicapa con una estructura de banda plana común, una fuerte evidencia de que una banda plana puede conducir a una superconductividad robusta.
«Descubrieron que podría haber toda esta jerarquía de estructuras de grafeno hasta capas infinitas, lo que podría corresponder a una expresión matemática similar para una estructura de banda plana», dice Park.
Poco después de este trabajo, el grupo de Jarillo-Herrero descubrió que la superconductividad y una cinta plana sí aparecían en el grafeno retorcido de tres capas: tres láminas de grafeno apiladas como un sándwich de queso, con la capa de queso del medio girada 1,6 grados con respecto a la capa exterior dispuesta en sándwich. se cambiaron las capas. Pero la estructura de tres capas también mostró diferencias sutiles en comparación con su contraparte de dos capas.
«Eso nos hizo preguntarnos, ¿dónde encajan estas dos estructuras en términos de la clase de material general y si son de la misma familia?» dice Park.
Una familia poco convencional
En el estudio actual, el equipo intentó aumentar el número de capas de grafeno. Produjeron dos nuevas estructuras hechas de cuatro y cinco capas de grafeno, respectivamente. Cada estructura se apila alternativamente, de forma similar al sándwich de queso desplazado hecho de grafeno de tres capas retorcidas.
El equipo mantuvo las estructuras por debajo de 1 Kelvin (alrededor de -273 grados Celsius) en un refrigerador, pasó una corriente eléctrica a través de cada estructura y midió el rendimiento 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 superconductividad robusta y una cinta plana. Las estructuras también compartían otras similitudes con su contraparte de tres capas, como: B. su respuesta a un campo magnético de diferente intensidad, ángulo y orientación.
Estos experimentos mostraron que las estructuras de grafeno retorcidas podrían considerarse como una nueva familia o clase de materiales superconductores comunes. Los experimentos también sugirieron que puede haber una oveja negra en la familia: la estructura bicapa retorcida original, aunque compartía características clave, también mostraba diferencias sutiles con respecto a sus hermanos. Por ejemplo, experimentos previos del grupo mostraron que la superconductividad de la estructura colapsaba en campos magnéticos más bajos y era más desigual a medida que el campo giraba que sus hermanos multicapa.
El equipo realizó simulaciones para 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 retorcido desaparezca bajo ciertas condiciones magnéticas se debe simplemente a que todas sus capas físicas existen en una forma «no reflejada» dentro de la estructura. En otras palabras, no hay dos capas en la estructura que sean imágenes especulares entre sí, mientras que los hermanos multicapa del grafeno exhiben algún tipo de simetría especular. Estos resultados sugieren que el mecanismo que hace que los electrones fluyan en un estado superconductor robusto es común en la familia del grafeno trenzado.
«Eso es bastante importante», señala Park. «Sin saber esto, la gente podría pensar que el grafeno de dos capas es más convencional en comparación con las estructuras de múltiples capas. Pero mostramos que toda esta familia puede consistir en superconductores robustos no convencionales”.
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