Por Jennifer Chu Los imanes y los superconductores se complementan como el agua y el aceite, o eso creían los científicos. Pero un nuevo hallazgo de físicos del MIT desafía esta suposición centenaria. En un artículo publicado en la revista Nature , los físicos informan del descubrimiento de un "superconductor quiral": un material que conduce la electricidad sin resistencia y, paradójicamente, es intrínsecamente magnético. Es más, observaron esta exótica superconductividad en un material sorprendentemente común: el grafito, el material principal de la mina de lápiz. El grafito está compuesto por múltiples capas de grafeno (láminas de átomos de carbono atómicamente delgadas, con forma de red), que se apilan entre sí y pueden desprenderse fácilmente al aplicar presión, como al presionar para escribir en un papel. Una sola lámina de grafito puede contener varios millones de láminas de grafeno, que normalmente se apilan de forma que todas las demás capas se alinean. Sin embargo, ocasionalmente, el grafito presenta pequeñas cavidades donde el grafeno se apila con un patrón diferente, similar a una escalera de capas desplazadas. El equipo del MIT ha descubierto que cuando se apilan cuatro o cinco láminas de grafeno en esta configuración “romboédrica”, la estructura resultante puede exhibir propiedades electrónicas excepcionales que no se observan en el grafito en su conjunto. En su nuevo estudio, los físicos aislaron láminas microscópicas de grafeno romboédrico a partir de grafito y las sometieron a una serie de pruebas eléctricas. Descubrieron que, al enfriarse a 300 milikelvins (aproximadamente -273 grados Celsius), el material se convierte en un superconductor, lo que significa que cualquier corriente eléctrica que lo atraviese puede fluir sin resistencia. También descubrieron que, al barrer un campo magnético externo de arriba a abajo, las láminas podían alternar entre dos estados superconductores diferentes, como un imán. Esto sugiere que el superconductor posee cierto magnetismo interno intrínseco. Este comportamiento de conmutación no se observa en otros superconductores. “Se cree que los superconductores no toleran los campos magnéticos”, afirma Long Ju, profesor adjunto de física en el MIT. “Pero creemos que esta es la primera observación de un superconductor que se comporta como un imán con evidencia tan directa y simple. Y esto es bastante extraño, ya que contradice la percepción general sobre la superconductividad y el magnetismo”. Giro del grafeno En los materiales conductores cotidianos, los electrones fluyen en una confusión caótica, zumbando unos junto a otros y rebotando en la red atómica del material. Cada vez que un electrón se dispersa de un átomo, encuentra resistencia y, como resultado, pierde energía, normalmente en forma de calor. Por el contrario, cuando ciertos materiales se enfrían a temperaturas ultrafrías, pueden volverse superconductores, lo que significa que el material permite que los electrones se apareen, en lo que los físicos denominan "pares de Cooper". En lugar de dispersarse, estos pares de electrones se deslizan a través del material sin resistencia. Por lo tanto, con un superconductor, no se pierde energía en la traslación. Desde que se observó la superconductividad por primera vez en 1911, los físicos han demostrado en numerosas ocasiones que la resistencia eléctrica cero es un sello distintivo de un superconductor. Otra propiedad definitoria se observó por primera vez en 1933, cuando el físico Walther Meissner descubrió que un superconductor expulsa un campo magnético externo. Este "efecto Meissner" se debe en parte a los pares de electrones de un superconductor, que actúan colectivamente para expulsar cualquier campo magnético. Los físicos han asumido que todos los materiales superconductores deberían presentar resistencia eléctrica cero y repulsión magnética natural. De hecho, estas dos propiedades son las que podrían permitir los trenes de levitación magnética (Maglev), en los que un riel superconductor repele y, por lo tanto, hace levitar un vagón magnetizado. Ju y sus colegas no tenían motivos para cuestionar esta suposición mientras realizaban sus experimentos en el MIT. En los últimos años, el equipo ha estado explorando las propiedades eléctricas del grafeno romboédrico de cinco capas. Los investigadores han observado propiedades sorprendentes en la estructura de grafeno de cinco capas, similar a una escalera; más recientemente, que permite que los electrones se dividan en fracciones de sí mismos . Este fenómeno ocurre cuando la estructura de cinco capas se coloca sobre una lámina de nitruro de boro hexagonal (un material similar al grafeno) y se desplaza ligeramente mediante un ángulo específico o torsión. Curiosos por cómo las fracciones electrónicas podrían cambiar con las condiciones cambiantes, los investigadores continuaron su descubrimiento inicial con pruebas similares, esta vez desalineando las estructuras de grafeno y nitruro de boro hexagonal. Para su sorpresa, descubrieron que al desalinear ambos materiales y aplicarles una corriente eléctrica, a temperaturas inferiores a 300 milikelvins, la resistencia medida fue cero. Parecía que el fenómeno de las fracciones electrónicas había desaparecido, y lo que emergió en su lugar fue la superconductividad. Los investigadores fueron un paso más allá para ver cómo este nuevo estado superconductor respondería a un campo magnético externo. Aplicaron un imán al material, junto con un voltaje, y midieron la corriente eléctrica que emanaba del material. Al ajustar el campo magnético de negativo a positivo (similar a una polaridad norte-sur) y viceversa, observaron que el material mantenía su estado superconductor de resistencia cero, excepto en dos casos, uno en cada polaridad magnética. En estos casos, la resistencia aumentó brevemente, antes de volver a cero y regresar al estado superconductor. “Si se tratara de un superconductor convencional, permanecería sin resistencia hasta que el campo magnético alcanza un punto crítico, donde la superconductividad se anularía”, afirma Zach Hadjri, estudiante de primer año del grupo. “En cambio, este material parece alternar entre dos estados superconductores, como un imán que empieza apuntando hacia arriba y puede voltearse hacia abajo al aplicarle un campo magnético. Por lo tanto, parece que se trata de un superconductor que también actúa como un imán. ¡Lo cual no tiene ningún sentido!” "Único en su clase" Aunque el descubrimiento parezca contradictorio, el equipo observó el mismo fenómeno en seis muestras similares. Sospechan que la configuración única del grafeno romboédrico es la clave. El material tiene una disposición muy simple de átomos de carbono. Al enfriarse a temperaturas ultrafrías, la fluctuación térmica se minimiza, lo que permite que los electrones que fluyen a través del material disminuyan su velocidad, se detecten entre sí e interactúen. Estas interacciones cuánticas pueden provocar que los electrones se apareen y se conviertan en superconductores. Estas interacciones también pueden estimular su coordinación. Es decir, los electrones pueden ocupar colectivamente uno de dos estados de momento opuesto, o "valles". Cuando todos los electrones se encuentran en un valle, giran en una dirección, en lugar de en la opuesta. En los superconductores convencionales, los electrones pueden ocupar cualquiera de los dos valles, y cualquier par de electrones suele estar formado por electrones de valles opuestos que se cancelan entre sí. Por lo tanto, el par, en general, tiene momento cero y no gira. Sin embargo, en la estructura material del equipo, sospechan que todos los electrones interactúan de tal manera que comparten el mismo valle o estado de momento. Cuando los electrones se aparean, el par superconductor en general tiene un momento y un giro distintos de cero, lo que, junto con muchos otros pares, puede representar un magnetismo superconductor interno. “Se puede imaginar a los dos electrones de un par girando en sentido horario o antihorario, lo que corresponde a un imán que apunta hacia arriba o hacia abajo”, explica Tonghang Han, estudiante de quinto año del grupo. “Por lo tanto, creemos que esta es la primera observación de un superconductor que se comporta como un imán debido al movimiento orbital de los electrones, conocido como superconductor quiral. Es único en su tipo. También es candidato a superconductor topológico que podría permitir la computación cuántica robusta”. “Todo lo que hemos descubierto en este material ha sido completamente inesperado”, afirma Zhengguang Lu, exinvestigador posdoctoral del grupo y actual profesor adjunto en la Universidad Estatal de Florida. “Pero al tratarse de un sistema simple, creemos que tenemos buenas posibilidades de comprender qué sucede y de demostrar principios de física muy profundos”. «Es realmente notable que un superconductor quiral tan exótico surja de ingredientes tan simples», añade Liang Fu, profesor de física del MIT. «La superconductividad en el grafeno rombodédrico sin duda tendrá mucho que ofrecer». La parte de la investigación realizada en el MIT contó con el apoyo del Departamento de Energía de EE. UU. y una beca MathWorks. Esta investigación se llevó a cabo, en parte, utilizando las instalaciones de MIT.nano. ****Ju es el autor principal del estudio , que incluye a los coautores del MIT Tonghang Han, Zhengguang Lu, Zach Hadjri, Lihan Shi, Zhenghan Wu, Wei Xu, Yuxuan Yao, Jixiang Yang, Junseok Seo, Shenyong Ye, Muyang Zhou y Liang Fu, junto con colaboradores de la Universidad Estatal de Florida, la Universidad de Basilea en Suiza y el Instituto Nacional de Ciencias de los Materiales en Japón.