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Un grupo de especialistas en el que colabora el investigador del Instituto de Física, Gerardo García Naumis, logró trazar el comportamiento cuántico del grafeno cuando éste se encuentra en dos capas superpuestas y rotadas entre sí, descubriendo fases topológicas y estados de la materia que abren nuevas rutas para el desarrollo tecnológico en el futuro.

El estudio fue publicado en la revista Physical Review B en febrero de este año. En él también participaron: Leonardo Navarro Labastida, estudiante postdoctoral del Instituto de Física; Pierre Pantaleón, del Instituto de Nanociencias IMDEA y de la Colorado State University (CSU), y Francisco Guinea del IMDEA y del Donostia International Physics Center.

El grafeno revolucionó la tecnología por su resistencia extrema y una conductividad eléctrica tan eficiente que sus propiedades han sido analizadas con amplio interés de forma permanente. Gracias a ello, se han desarrollado pantallas flexibles, baterías de carga ultrarápida, transistores de alta velocidad, entre otras aplicaciones.

“Al grafeno le llaman el súper material, fue el primer material bidimensional y se encontró que tenía una conducción eléctrica alta, la mayor conducción térmica, es resistente como el diamante pero al mismo tiempo es flexible, también es el material más transparente. Después se han encontrado otros materiales bidimensionales que en algunas características superan al grafeno pero ha sido el que detonó la revolución de los materiales”, aseguró Naumis.

El grafeno es una lámina de átomos de Carbono con la particularidad de tener un sólo átomo de espesor. En el año de 2018 se descubrió que al superponer dos de estas capas y rotarlas entre sí, el material adquiere propiedades cuánticas completamente nuevas en ángulos específicos (también llamados ángulos mágicos).

“En particular, en los ángulos mágicos el sistema se vuelve un superconductor de manera que no se disipa energía al conducir electricidad. Uno de los grandes sueños de la física contemporánea es entender la superconductividad para poder tener materiales que transporten electricidad sin disipación en forma de calor. El problema es que nadie ha podido hacer un superconductor que trabaje a temperatura ambiente y esto es en parte porque el mecanismo de superconducción aún no está entendido. Así, el grafeno bicapa rotado por ángulos mágicos abre una oportunidad única para clarificar la física detrás de estos materiales fascinantes”, explicó Naumis.

En esta frontera, conocida en la física como twistrónica (o de torsión), es donde el trabajo de Naumis y sus colaboradores marca un hito, porque en lugar de limitarse a analizar los ángulos mágicos ya conocidos, los investigadores profundizaron en este juego de rotaciones para descubrir detalles que habían pasado desapercibido hasta el momento. “Es como si tuvieras un mosquitero y le pones otro arriba y los vas girando. Se ven como unas líneas que se llaman patrones de moiré, es un patrón de interferencia. La distancia entre esas líneas depende del ángulo que se gire. Lo mismo pasa con el grafeno rotado”, dijo.

Mientras que en una capa de grafeno los átomos se unen gracias a los enlaces covalentes fuertes, la unión entre dos capas de grafeno está regida por las fuerzas de Van der Waals, es decir, por interacciones eléctricas más débiles, como si se tratara de una construcción de LEGO que permite acomodar una capa sobre otra y girarlas, sin romper la estructura interna de cada lámina.

Cuando el ángulo de torsión entre las capas llega al punto exacto, el patrón de moiré cambia por completo la velocidad de los electrones, frenandolos drásticamente y quedando atrapados en las rejillas que se formaron en el patrón. “En los ángulos mágicos se había encontrado que se maximiza la interacción pero lo que encontramos nosotros es cómo pasa esto de manera continua, entonces cuando vas variando el ángulo lo que vas viendo es que van apareciendo diferentes fases cuánticas y vimos algunas que no habían sido reportadas”, explica Naumis.

Es precisamente en este momento cuando ocurren tres cambios que desafían la ciencia conocida y dejan ver el surgimiento de propiedades inusuales: los aislantes de Mott, la superconductividad y los aislantes de Chern.

Contrario a lo que se esperaría, el grafeno se convierte primero en un aislante debido a que los electrones se repelen entre sí. Este fenómeno, en el que un material que debería ser un conductor excelente se transforma de pronto en un aislante debido a la interacción de sus propias cargas, se conoce en la física como “aislante de Mott”.

“La energía de los electrones no depende de su velocidad y eso es porque los electrones de alguna manera están casi parados por efecto de la interferencia”, asegura Naumis.

Sin embargo, este bloqueo se puede romper si se añaden o eliminan electrones mediante el suministro de un voltaje externo. Cuando esto sucede, en lugar de volver a ser un conductor común, los electrones se ordenan en parejas y fluyen sin resistencia ni pérdida de energía, transformando al grafeno en un superconductor.

Para lograr este nivel de control, los científicos analizaron las interacciones ya conocidas en la física y estudiaron cómo influyen las “bandas remotas”, que son estados energéticos superiores que anteriormente solían ignorarse en los modelos matemáticos. Descubrieron que lo que ocurre ahí altera la organización de los electrones en todo el sistema.

El trabajo de Naumis y sus colaboradores demostró que, al modificar continuamente el ángulo de giro, estas bandas remotas se aproximan tanto a las bandas planas (donde los electrones están casi detenidos) que terminan chocando y mezclándose, lo que provoca una torsión en la estructura cuántica del grafeno.

Esto reveló la presencia de aislantes de Chern, un estado de la materia en el que el grafeno se vuelve aislante en el centro pero conduce electricidad en los bordes. Ocurre debido a que los electrones siguen la geometría cuántica del patrón de moiré y obliga a los electrones a ordenarse en una especie de canales por los cuales viaja la corriente. También se encontraron otros ángulos donde la superconductividad es posiblemente mayor que la de ángulos mágicos.

Aunque actualmente estas propiedades se estudian de forma predictiva con simulaciones por computadora, el diseño de este tipo de mapas es indispensable para que a futuro los estados se apliquen en la tecnología real. Para lograrlo, dice Naumis, el reto será conseguir estos resultados a temperatura ambiente para dejar de depender de las temperaturas extremadamente bajas (cerca del cero absoluto).

“Esta fue una primera aproximación para ir mucho más profundo en el trabajo. La contribución viene de la dirección de tesis de doctorado de Leonardo Navarro, el primer autor del artículo, y es una colaboración… Mi alumno y yo habíamos empezado esa exploración, estudiando qué sucedía con los ángulos mágicos, entendiendo por qué a esos ángulos acudían esas bandas planas y encontramos que existía una correlación con el efecto Hall y después fue natural estudiar qué sucedía con todos esos efectos en otros ángulos”, cuenta el investigador.

La relevancia de este estudio no ha pasado desapercibida para la comunidad científica internacional, prueba de ello es que los editores de la American Physical Society (APS) dedicaron una sinopsis especial en la publicación Physics Magazine, un espacio que se reserva exclusivamente para aquellos artículos de investigación que marcan un hito en su campo.