El grafeno es uno de los materiales de los que más se habla en los últimos años. Se trata de un material laminar que está formado por átomos de carbono y que se obtiene a partir del grafito. Entre sus características, es duro, flexible y conductor del calor y de la electricidad. Actualmente, tiene multitud de aplicaciones en el ámbito de la tecnología y tiene unas cualidades que lo hacen uno de los materiales más interesantes a estudiar para futuras aplicaciones que pueden ser de utilidad en diversas industrias.

En el año 2018, la investigación sobre el grafeno y sus derivados dio un giro sorprendente cuando un grupo del MIT liderado por Pablo Jarillo-Herrero dio a conocer que dos capas de grafeno giradas con un pequeño ángulo relativo de rotación (de ~1.05º) se vuelven superconductoras, es decir, pueden conducir corriente sin disipación de energía. La superconductividad es un fenómeno descubierto en 1911 y habitual en materiales metálicos a bajas temperaturas, pero que no se esperaba que pudiera existir en materiales hechos puramente de átomos tan simples como el carbono.

Otro hecho que llamó la atención fue la semejanza de las fases que aparecen junto a la superconductividad con las de los óxidos de cobre superconductores de alta temperatura. Estos materiales fueron descubiertos en 1987 y permanecen como una posible vía para encontrar superconductividad a temperatura ambiente, pero hasta ahora han resistido todos los intentos de explicación teórica. Las bicapas de grafeno giradas se han visto como una alternativa para poder resolver un misterio con importantes implicaciones tecnológicas, pero que lleva desafiando a los físicos teóricos durante más de treinta años.

Un nuevo paradigma en el estudio de la superconductividad.

Los experimentos en las bicapas de grafeno giradas han vuelto a poner de relieve por qué el fenómeno de la superconductividad resulta paradójico, tanto en dicho material de carbono como en los óxidos de cobre superconductores de alta temperatura. El pequeño giro entre láminas de carbono crea un típico aspecto de muaré en la red de átomos, como se puede ver en la figura 1 (A), y tiene también como efecto más importante la localización de los electrones, que sólo pueden moverse en un rango muy estrecho (banda) de energía, como se puede ver en la figura 1 (B). Por alguna razón todavía no bien explicada, esta configuración también favorece que los electrones puedan formar parejas (los llamados pares de Cooper) que permiten el transporte de la carga sin disipación de energía.

En los metales convencionales, la interacción de los electrones con las vibraciones de la red de átomos es lo que proporciona la atracción responsable de la formación de pares de Cooper. Sin embargo, este mecanismo no es compatible con las observaciones realizadas en bicapas de grafeno giradas, por lo que en este proyecto de investigación se trata de desarrollar la idea de que es la propia interacción entre los electrones lo que causa la atracción en los pares de Cooper.

Este proyecto, financiado por la Agencia Estatal de Investigación (AEI), propone por lo tanto un nuevo paradigma que puede explicar la superconductividad cuando viene acompañada de propiedades no convencionales observadas en ciertos materiales, y que uno no esperaría encontrar invocando sólo la interacción con las vibraciones de la red atómica. Así, por encima de la temperatura de transición a la fase superconductora, se ha visto también que las bicapas de grafeno giradas entran en una fase metálica anómala (llamada “de metal extraño”) donde los electrones no se comportan como partículas elementales, y para la que también hay que desarrollar una nueva teoría.

Hacia la superconductividad a temperatura ambiente.

Recientemente, un avance importante ha sido la observación de que la superconductividad no está limitada a las bicapas de grafeno giradas, sino que también aparece en tricapas, cuadricapas, etc, y con características muy robustas en general en multicapas de grafeno giradas (de las que aparece una animación en la figura 2). Algo que demuestra esta investigación, que prueba que la observación original en las bicapas no es un caso aislado, y que tiene que haber un mecanismo universal que permita explicar la superconductividad en estos derivados del grafeno.

Un objetivo importante en este proyecto, apoyado por la AEI, consiste en entender la evolución de la superconductividad en función del número de capas. Esta investigación está motivada por la idea de que al aumentar el número de capas también puede crecer el rango de temperatura en el que aparece la superconductividad. Comprender los principios básicos ayudará a alcanzar el objetivo final: demostrar que es posible diseñar un material que sea superconductor en condiciones de temperatura ambiente.

Hacia una química quiral.

Aparte de que el grafeno de dos capas giradas sea superconductor, también es un material quiral, es decir, que el sistema con giro a la derecha puede responder de manera diferente al sistema con giro a la izquierda. De hecho, la palabra “quiral” proviene de la palabra griega χϵιρ que significa mano, como algo que aparece en dos formas casi idénticas, la mano derecha y la mano izquierda. Los objetos de diferente quiralidad se denominan enantiómeros y son idénticos en la mayoría de sus propiedades físicas, como densidad o frecuencias resonantes. Sólo en su interacción con otros objetos quirales se pueden distinguir los enantiómeros opuestos. Esto se entiende fácilmente, por lo mismo que es difícil ponerse el zapato derecho en el pie izquierdo.

La quiralidad es un aspecto importante en las propiedades de la vida, puesto que en la naturaleza sólo está presente un enantiómero de cada aminoácido. Así, poder manipular la quiralidad abre muchas posibilidades para conseguir reacciones químicas novedosas. En este sentido, nuestro proyecto pretende investigar la posibilidad de explotar la quiralidad de las bicapas de grafeno giradas para modificar reacciones de aminoácidos, e incluso poder catalizar moléculas quirales completamente nuevas en una cavidad.

Por lo tanto, esta investigación, que cuenta con el apoyo del AEI, aborda una serie de cuestiones que se enmarcan dentro de las líneas de mayor interés en la actualidad en el campo de la física de la materia condensada y la nanofotónica. La investigación de materiales capaces de desarrollar transporte quiral, ya sea de electrones o de plasmones, se plantea como una de las líneas que pueden suponer una revolución en el diseño de nuevos dispositivos en electrónica y comunicaciones. Esta prioridad también es compartida por la investigación sobre mecanismos de transporte topológicamente protegidos (incluyendo en particular la superconductividad topológica) y que pueden ser inmunes al desorden o a las perturbaciones externas. En este punto, el concepto de protección topológica se plantea como factor clave para avanzar hacia uno de los mayores desafíos del futuro de la física, como es la construcción de un computador cuántico.