Descubren una familia de superestructuras superconductoras de grafeno

El equipo de investigadores del MIT que en 2018 descubrió que dos capas de grafeno apiladas en un ángulo muy concreto generaban una estructura que podía mostrar una supercondictividad sólida y que no hace mucho que descubrió que un estado superconductor parecido existe en las estructuras de grafeno de tres capas colocadas de una manera determinada unas sobre otras han descubierto también que se pueden crear superestructuras en ángulo de cuatro y cinco capas para conseguir una superconductividad sólida a temperaturas bajas.

Este descubrimiento, según Phys.org, ya se ha publicado en Nature Materials y establece las diversas configuraciones de grafeno apilado, y en qué ángulos se puede hacer, catalogándolas como la primera familia conocida de superconductores de ángulo «mágico» multicapa. El equipo también ha identificado parecidos y diferencias entre miembros de la familia del grafeno.

Estos hallazgos podrían servir como base para el diseño de superconductores que funcionen a temperatura ambiente. Y si las propiedades entre los miembros de esta familia se pueden replicar en otros materiales conductores de manera natural se podrían aprovechar, por ejemplo, para conseguir electricidad sin disipación o desarrollar trenes que levitarían de manera magnética y funcionarían sin fricción.

El equipo de investigadores, como hemos mencionado, fue el primero en descubrir el conocido como «grafeno de ángulo mágico», que tiene forma de estructura bicapa de dos láminas de grafeno colocadas una sobre otra con un ángulo de desviación de 1,1 grados. Esta configuración, conocida como supercelosía moiré, transformó el material inicial en un superconductor sólido a temperaturas muy bajas.

Los investigadores descubrieron también que el material mostraba un tipo de estructura electrónica, conocido como banda plana, en la que los electrones del material tienes la misma energía, independientemente de su estado. En este estado, y a temperaturas muy bajas, los electrones, normalmente de movimiento frenético, se ralentizaban lo suficiente para emparejarse en los conocidos como pares de Coopers. Es decir, en los ingredientes esenciales de superconducción que pueden fluir a través del material sin encontrar resistencia.

No obstante, aunque observaron que la estructura tenía superconductividad y una estructura de banda plana, no tenían claro que la una derivara de la otra. No había prueba de que este tipo de estructuras llevase a la superconductividad. por eso no estaban seguros de poder desarrollar otra superestructura de este tipo.

Mientras valoraban esto, un grupo de la Universidad de Harvard derivó cálculos que confirmaban de forma matemática que tres capaz de grafeno, superpuestas con un ángulo entre cada dos de 1,6 grados, tendrían también bandas planas y sugerían que podían ser superconductoras.  Además demostraban que no debería haber límite en el número de capas de grafeno que contarían con superconductividad si se apilaban en el ángulos correctos y de la manera adecuada. Además probaron que podrían relacionar matemáticamente cada estructura multicapa con una estructura de banda plana, probando de manera sólida de que una banda plana puede llevar a una superconductividad sólida.

Poco después, el grupo de investigadores del MIT descubrieron que era cierto que la superconductividad y la banda plana aparecían en estructuras de grafeno tricapa apiladas, con la del medio inclinada 1,6 grados con respecto a las exteriores. En este último estudio han intentado aumentar el número de capas.

Fabricaron dos estructuras nuevas, con cuatro y cinco capas respectivamente. Cada una se apila de manera alternativa, de manera parecida a las de las estructuras tricapa. Mantuvieron cada estructura  en una nevera a -273 grados, aplicaron una corriente eléctrica a cada una y midieron el resultado bajo varias condiciones. Sus resultados mostraron que el grafeno de cuatro y cinco capas también tenía superconductividad sólida y banda plana. De ahí que hayan considerado que hay una familia nueva de materiales superconductores comunes.