grafeno

Imagínese un agujero diminuto en una lámina de grafeno: un único átomo de carbono que falta. Antes se creía que la molécula de agua se rompía en ese defecto solo en solitario, en gas seco. Pero si alrededor chapotea agua líquida, todo cambia.

Sobre la mesa hay un trozo de grafito cultivado a partir de gas, como una capa en la pared de un reactor. Normalmente, ese material no sirve para convertir calor en electricidad: en su interior, los electrones y los huecos corren en direcciones opuestas y se anulan mutuamente.

Un violín Stradivarius solo puede hacerse con madera que creció en condiciones especiales. Durante mucho tiempo se pensó que el grafeno para efectos cuánticos delicados debía exfoliarse con cinta adhesiva del grafito, y que un cristal cultivado en probeta no era capaz de ello.

La molécula de tripticeno recuerda a una estrella de tres brazos rígidos. Cuando se esparcen esas estrellas sobre una superficie de plomo, se acomodan solas formando un patrón que parece una cesta tejida: triángulos y hexágonos se alternan, y en cada nodo no hay una estrella, sino un par.

Una hoja de papel dejada sobre una mesa mojada se ondula y levanta los bordes. Nadie controla ese movimiento, pero ocurre según las mismas leyes que el crecimiento de una planta: unas zonas de la hoja se contraen más que otras, y la forma plana se convierte en volumen. Los ingenieros llevan mucho tiempo queriendo domesticar ese proceso para que una pieza plana se pliegue sola en la escultura deseada.

Un superconductor es un material que conduce la corriente sin pérdidas, como el agua que fluye por una tubería perfectamente lisa. En los superconductores de cobre, las diminutas adiciones de oxígeno funcionan como un control de volumen: un poco más, y el material comienza a superconducir; un poco menos, y deja de hacerlo.

En el armario de la química se acumulaban registros de sustancias que nadie consideraba especiales. Resulta que entre ellas se esconden materiales bidimensionales: delgados como una hoja de papel, pero resistentes y con propiedades inesperadas.

El grafeno, una lámina de carbono de un átomo de espesor, puede cambiar sus propiedades magnéticas como el agua cambia de forma: ora fluye, ora se congela en hielo. En el nuevo trabajo, los físicos han mirado por primera vez dentro de este proceso con un sensor del tamaño de la punta de una aguja.

Una tubería de agua: cuanto más ancha es, más agua deja pasar. En los contactos superconductores —las uniones de Josephson (puentes por los que la corriente fluye sin resistencia)— suele ocurrir lo mismo: cuanto mejor conduce el material en estado normal, mayor es la corriente superconductora que lo atraviesa.

Una lámina de cerámica tan fina como una película de jabón, y por ella fluye corriente sin la menor resistencia. Así se ve la superconductividad lograda en niquelatos, parientes de los famosos superconductores de cuprato.

Normalmente la luz no convierte un aislante en conductor: para eso se necesitan pulsos láser potentes que rompan la estructura del material. Pero en el grafeno bicapa retorcido en ángulo mágico todo es distinto.

El grafeno, una lámina de carbono de un átomo de espesor, se comporta como la superficie de un agua tranquila, hasta que aparece la superconductividad. Entonces, como ondas que se expanden desde una piedra lanzada, se propagan ondas inusuales: pares de electrones se mueven sin fricción.

En una lámina ultrafina de grafeno de cuatro capas, los electrones pueden comportarse como un líquido congelado. Con un enfriamiento intenso y bajo la acción de un campo eléctrico, dejan de moverse frenéticamente y se alinean en un patrón regular: el cristal de Wigner. Es similar a cómo las gotas de agua se convierten en panales de hielo con el frío.

Un panal de abejas hecho no de cera, sino de átomos, es el grafeno: un cristal plano de un solo átomo de espesor. Sus electrones se asemejan a corredores en un cruce: a veces aceleran, a veces frenan, pero nunca se quedan atascados en el borde. Los físicos llaman a esa lámina 'topológicamente trivial', es decir, con bordes completamente ordinarios, sin propiedades especiales.

Imagina una transición de fase cuántica como un baile complicado. Los electrones giran en orden estricto, y cada paso es su distribución espacial, mientras que el ritmo es la dinámica. Durante décadas, los físicos solo vieron un movimiento borroso, sin poder distinguir: ¿cambian las figuras o se acelera la música?

En el mundo de los materiales bidimensionales a veces nacen estados tan inusuales como frágiles. Uno de ellos — el cristal anómalo fraccionario de Hall (FAHC) — es como un centauro cuántico: mitad red ordenada, mitad líquido topológico.

Un superconductor normalmente no se lleva bien con un imán: un campo intenso destruye el estado en el que la corriente fluye sin resistencia. Pero en capas delgadas de carbono, todo es diferente.

En una gota de sangre flotan millones de moléculas de albúmina, la principal proteína transportadora. Su nivel disminuye en enfermedades de riñón e hígado, por lo que los médicos necesitan un método rápido y preciso para medirla. Los ingenieros han propuesto un detector del tamaño de una mota de polvo: un transistor de grafeno que funciona directamente en el líquido.

El grafeno — un cristal bidimensional de carbono — ha tentado a los físicos durante mucho tiempo con la esperanza de una superconductividad a alta temperatura.

Una masa carbonizada del tamaño de un puño: eso es lo que queda de un rollo de la biblioteca de la ciudad romana de Herculano. Hace dos mil años, la erupción del Vesubio lo sepultó y desde entonces nadie ha leído el texto oculto en su interior. Intentar desenrollar físicamente un rollo así lo convertiría en cenizas. Pero ahora los arqueólogos no necesitan arriesgarse.

Cuanto más delgada es la película ferroeléctrica, más fuerte es el campo despolarizante: el dictado de la física clásica. Imagine un lápiz que se balancea sobre la punta del dedo: cuanto más corto, más difícil es mantenerlo vertical. Así es como la polarización nanométrica tiende a desaparecer.

Un interruptor que sabe por sí solo hacia dónde fluir. Así funciona un diodo de Josephson: un puente superconductor donde la corriente pasa con facilidad en un sentido y encuentra resistencia en el otro. En el nuevo trabajo, ese puente se fabricó con grafeno, una lámina de carbono de un átomo de espesor.

Los electrones en un cristal recuerdan a los coches en las calles de una ciudad: unos circulan a toda velocidad por las avenidas, otros se quedan atascados en atascos. En algunas redes, el movimiento se congela por completo: la velocidad deja de depender de la energía y los electrones se vuelven «planos». No es un atasco, sino un ritmo especial de la red, donde las ondas se cancelan entre sí.

Un alfarero traza un patrón con un cincel afilado sobre una baldosa de arcilla aún húmeda. Un movimiento en falso y la línea se emborrona, la baldosa se agrieta. Algo así es como trabajan los físicos con películas del superconductor de alta temperatura YBCO (un compuesto de itrio, bario, cobre y oxígeno).

En el lodo turbio, entre dos electrodos, se forman largas cadenas de bacterias, finas como un cable microscópico. Cada uno de estos filamentos conduce corriente a lo largo de un centímetro entero, una verdadera maratón para un microbio.

El universo no solo se expande: también resuena. Tras el Big Bang, en su tejido quedaron cuerdas tensas, finas como un protón pero pesadas como una cordillera. Sus vibraciones generan ondas gravitacionales, y en esa radiación, como en una partitura, está cifrada la historia de las simetrías fundamentales.

Tejer a ganchillo, pero donde en lugar de hilo hay moléculas individuales y en lugar de ganchillo, una superficie de oro. Hasta ahora, los intentos de tejer con estas moléculas una tela uniforme terminaban en un caos: los hilos se enganchaban donde no debían y el patrón se desordenaba. Un grupo de científicos ha encontrado la manera de resolver este problema.

Cada electrón es un imán en miniatura. En una capa de cloruro de hierro de un átomo de espesor, todos se orientan en la misma dirección, como bailarines en una coreografía perfectamente sincronizada. Normalmente, la naturaleza evita ese orden (eso es alta entropía), pero las fuerzas cuánticas los obligan a obedecer.

Un puente hecho con dos filas de tablones se comba bajo los pies de los peatones, y cada paso recibe ayuda del movimiento elástico del piso. Un principio similar está en la base de la superconductividad: los electrones se deslizan sin resistencia porque la red atómica se adapta a ellos.

Dos láminas finísimas, parecidas a la mica, yacen una sobre otra. Una se desplaza una fracción de nanómetro — y un modesto semiconductor se convierte en un imán. Así funcionan aproximadamente los materiales que investigaron los autores: compuestos laminares de niobio y tantalio con azufre o selenio.

En un superconductor, los electrones se agrupan en pares, como bailarines que se toman de las manos. Normalmente, la distancia entre ellos —el tamaño del par— depende de la rapidez con la que se mueven y de la fuerza de su unión. Pero a veces la pista de baile casi desaparece y no hay lugar para moverse.

El acero no es un monolito, sino un mosaico de granos microscópicos soldados entre sí. Sus uniones, los bordes de grano, son el punto más vulnerable: ahí es donde comienzan las grietas. Los átomos de impurezas, incluso en cantidades ínfimas, se acumulan en estas uniones como arena entre engranajes, y pueden lubricar el mecanismo o atascarlo por completo.

Cada átomo de carbono en una molécula lleva consigo un pasaporte: la energía con la que sus electrones más profundos se mantienen en sus orbitales. Esta energía responde con sensibilidad a los vecinos: si aparece un oxígeno cerca o un doble enlace, la cifra del pasaporte cambia.

Una lámina de grafeno es una red de átomos de carbono con el grosor de un solo átomo. Si se apilan varias de estas láminas con un desplazamiento especial, se obtiene un material con propiedades inusuales: puede ser un imán o un superconductor, dependiendo de cómo se le aplique un estímulo.

El carburo de silicio es un material con el que se fabrica blindaje para la electrónica. Resiste el calor, los golpes y la radiación, como las baldosas cerámicas del escudo térmico de una nave espacial. Pero incluso esa armadura tiene un punto débil: los contactos metálicos comunes se deterioran rápidamente bajo los rayos X.

Un cristal parecido a una pila de panqueques se colocó sobre un sustrato liso de óxido de magnesio. Se obtuvo una película de cientos de átomos de espesor. Cuando se hizo pasar corriente a través de ella y se encendió el imán, la resistencia aumentó casi una cuarta parte: un 22,5% con un campo de 9 teslas.

Un cristal ordinario es como un edificio de apartamentos: los electrones se mueven por pasillos y escaleras comunes, influyéndose unos a otros a través de las paredes. Ahora quitemos todas las paredes y dejemos una sola línea de apartamentos.

Una lámina de ditelururo de tungsteno de un átomo de grosor se parece a un papel de aluminio fino: los electrones no la atraviesan porque entre sus estados posibles hay una banda prohibida, como una zanja que no se puede saltar. Añade dos capas más, y la zanja desaparece: el material se vuelve metálico y la corriente fluye.

Una hoja de papel casi no pesa nada, pero si apilas cien hojas, obtienes un bloque notable. Algo similar hicieron con un material que es excelente para convertir un color de luz en otro, pero solo cuando tiene el espesor de un átomo. Una sola capa es como una hoja: funciona de maravilla, pero es demasiado delgada para producir mucha luz.

Un suelo de mosaico formado por muchas baldosas pequeñas, giradas en direcciones distintas. Parecería que cualquier patrón que intente atravesar ese suelo debería desordenarse y desaparecer. Así se piensa normalmente del desorden en los cristales: si los átomos no están alineados en una red perfecta, los efectos cuánticos sutiles deberían destruirse.