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Desde que los científicos rusos Andre Geim y Konstantin Novoselov obtuvieron el premio Nobel de Física en 2010 por crear una lámina de carbono de un átomo de grosor, se introdujo el grafeno como un nuevo material cuya sola existencia puso fin a la creencia de que no podían existir cristales en dos dimensiones.

Este material bidimensional ha probado tener un sinfín de cualidades superlativas en comparación con demás materiales: mejor conductividad térmica, mejor movilidad electrónica y elasticidad. Y a pesar de ello, aún falta entender sus propiedades superconductoras. La superconductividad lo vuelve todavía más disruptivo y podría dar paso a toda una nueva generación de electrónica.

Las investigaciones actuales sobre grafeno buscan modificar la estructura del mismo para brindarle un estado semi conductor y utilizarlo de la manera en que se usa el silicio en la electrónica convencional. Si se lograra eso, las nuevas tecnologías que brindaría este semimetal serían inimaginables.

En México ya se trabaja en ello. El investigador del IF Gerardo García Naumis, junto con su estudiante de licenciatura, Elías Andrade y en colaboración con investigadores de la Universidad de Baja California y el CNyN (Centro de Nanociencias y Nanotecnología), realizaron una investigación en grafeno, publicada en la revista Physical Review B que podría implicar nuevas fases cuánticas, entre ellas algunas superconductoras.

a) Zonas brillantes de grafeno puro (GBZs) y grafeno distorsionado con kekulé mono- y bicapas (KBZs). b) Patrón de Kek-O formado por los enlaces entre la capa superior A y la capa inferior B. El recuadro muestra un boceto del hexágono central, en tres dimensiones. c) Estructura de la banda multivalle de la simetría Kek-Y bicapa de grafeno, que consta de dos conjuntos no equivalentes de bandas de Dirac, con quiralidades opuestas. d) Aplicación de un campo eléctrico fuera-de-plano que causa una caída potencial ΔV a través de la bicapa, dando una finita masa a los fermiones de Dirac. e) Curvatura de la baya (unidades arbitrarias) cerca de los puntos de Dirac, considerando un pequeño término de masa producido por ΔV = 10 meV. Todos los cálculos se realizaron con Δ0 = 0.08, y usando [32] γ0 = 3.16 eV, γ1 = 0.381 eV, y γ3 = 0.380.

La superconductividad es un fenómeno cuántico que permite a ciertos materiales y en determinadas condiciones conducir corriente eléctrica sin generar calor. Los electrones se organizan de tal manera que no disipan energía al moverse en una corriente, y esto trae consigo muchas ventajas:

“Mucha energía de la que se usa en el mundo se va en calentar los cables; con la superconductividad sería posible llevar corrientes mucho más grandes en cables mucho más delgados y de manera mas eficiente”, asegura García Naumis. Esto significa no sólo ahorro de material, sino mayor aprovechamiento de la energía y en mayores cantidades.

Su trabajo toma inspiración en lo que hizo el investigador del MIT (Massachusetts Institute of Technology) Pablo Jarrillo-Herrero en 2018: encontró fases superconductoras al sobreponer dos patrones de grafeno, las cuales coinciden con las fases superconductoras de alta temperatura encontradas por los físicos europeos Georg Bednorz y Karl Muller en 1987.

A diferencia de Jarrillo-Herrero, los investigadores mexicanos realizaron su trabajo con distoriones de kekulé, la estructura de carbono con enlaces dobles descubierta por August Kekulé en 1865. Esta historia es famosa debido a que August definió la estructura gracias a un sueño que tuvo donde una serpiente comía su propia cola.

Bicapa donde los centros de la deformación del kekulé están separados a lo largo de la dirección del eje y. Como resultado, las cadenas de enlaces cortos intra e intercapa se distribuyen perfectamente a lo largo de este eje.

“Este es el primer trabajo que se hace sobre distorsiones de kekulé sobre kekulé”, afirma Gerardo García. El trabajo consistió en formar una bicapa de grafeno distorsionada con kekulé, es decir, sobreponer dos patrones de grafeno deformados cada uno con un kekulé.

Antes de llegar a eso se tuvo que hacer un análisis de todas las posibles estructuras, hacer su descripción cristalográfica y finalmente enfocarse en la más simétrica para estudiar sus propiedades a fondo, principalmente, las electrónicas.

“El propósito fue ver cuál es el comportamiento del grafeno con modulaciones periódicas en sus enlaces y jugar con las distintas configuraciones que podemos realizar”, menciona Elías Andrade.

Grafeno epitaxial sobre un sustrato de cobre, que muestra dos regiones distorsionadas de Kekulé extendidas (exageradas para mejor claridad), resaltadas en azul y rojo. Abajo: cortando y doblando la muestra se puede formar una región de bicapa apilada con Bernal, donde las dos capas de grafeno tienen deformaciones Kek-Y con orientación opuesta.

Deformaciones hacia nuevas propiedades

La estructura del grafeno por sí solo tiene una red parecida a un panal de abejas de modo tal que la relación entre la energía y el momento de los electrones tiene la forma de dos conos (conocidos como conos de Dirac). Al ser distorsionada con kekulé se generan nuevos patrones de estructura y por lo tanto nuevas propiedades en la misma.

En la bicapa estudiada en esta investigación se encontró que, al ser distorsionada con kekulé, pueden obtenerse diversos tipos de propiedades electrónicas, como seis conos en vez de dos.

Los conos definen la manera en que se comportan los electrones de la estructura, y en este caso, se comportan como fermiones de Dirac, unas partículas que, al igual que la luz, tienen una dispersión lineal como si no tuvieran masa.

Así, en el caso estudiado se encontraron que los electrones pueden tener diferentes “sabores”, es decir, describirse por diferentes tipos de partículas efectivas con propiedades diferentes según la manera en que se haga el apilamiento de un grafeno deformado sobre el otro.

Otra de las propiedades que encontraron en estos fermiones fue la baja velocidad efectiva: “lo que pasa con estos materiales de Dirac distorsionados por patrones kekulé es que la velocidad de los electrones puede bajar de manera significativa”, afirma Naumis.

Esta característica es sumamente interesante, pues hace que los electrones interactúen más entre ellos, fomentando así diferentes fases cuánticas donde posiblemente alguna sea superconductora.

A pesar de que hasta ahora es una sugerencia que la bicapa tenga propiedades superconductoras, los investigadores proponen en su trabajo una manera experimental de comprobarlo, e inclusive, en el CNyN ya se trabaja en ello.

Para estudiar las propiedades eléctricas de la bicapa se utilizó lo que se conoce como aproximación de amarre fuerte, una técnica que consiste en tomar en cuenta los átomos del grafeno y sus vecinos para ver con qué probabilidad se pueden transmitir los electrones de un vecino a otro. Adicional a esto, se realizaron cálculos numéricos hechos con programas escritos en PHYTON y QUANTA, así como verficaciones usando programas basados en funcionales de la densidad (DFT).

Las maravillas de la superconductividad

“En un superconductor los electrones utilizan las vibraciones para moverse en vez de interaccionar con núcleos y generar calor; es una danza muy compleja entre los electrones que se realiza a escalas atómicas, que involucran miles de átomos”, menciona García Naumis.

La superconductividad tiene muchas propiedades que podrían parecer actos de magia, una de ellas, es el efecto Meissner, también llamado diamagnetismo, en donde un imán levita al ser colocado sobre un superconductor. La aplicación de este efecto puede verse en los trenes de súpervelocidad, como el tren bala de Shanghái, que alcanza hasta 550 km/h. También, los magnetos de los aceleradores del CERN funcionan con superconductores, ya que genera campos magnéticos muy intensos.

Como éstas, la superconductividad podría tener múltiples aplicaciones que revolucionarían diversas tecnologías en el mundo, sin embargo, hay retos en el camino: hacer superconductores a temperatura ambiente, ya que hasta ahora, sólo son posibles aquellos a altas temperaturas.

Para resolver este problema se debe entender completamente el fenómeno cuántico de la superconductividad, algo que se ha buscado desde hace décadas, mas las investigaciones en grafeno son ya una aproximación relevante, pues, debido a que son procesos más sencillos, entenderlos significa una aproximación a entender el resto de la complejidad que implican todas estas maravillas.

*Agradecemos el apoyo de la Secretaría de Educación, Ciencia, Tecnología e Innovación de la CDMX para el desarrollo de este contenido, que forma parte del proyecto "Física para Todos desde el Instituto de Física".