superconductividad en 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.

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.

La corriente en un metal ordinario fluye como una multitud por una calle recta: cada electrón va por su cuenta, y si se aplica un campo magnético, toda la multitud se desplaza ligeramente hacia un lado. Ese desplazamiento se llama efecto Hall.

En un pasillo estrecho, la gente no camina en masa, sino en filas. El número de filas depende del ancho del paso. En el grafeno, el papel de ese pasillo lo desempeña un contacto puntual cuántico: una constricción donde los electrones se mueven balísticamente, sin dispersarse.

En una habitación oscura apenas se oye un susurro. Para distinguir las palabras, hay que acercarse mucho — o colocar muchos micrófonos sensibles.

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.

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.

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

Dentro del cristal se despliega un ballet invisible: los momentos magnéticos de los átomos, como bailarines, a veces se alinean al unísono y otras se dispersan en contrafase. La coreografía la dicta el intercambio cuántico: una música sensible a la geometría de los enlaces.

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.

Dos láminas de semiconductor tan finas como papel se superponen y se giran ligeramente, unos tres o cuatro grados. Las redes atómicas no coinciden y aparece un patrón grande: el muaré, parecido a la ondulación de dos tablas de lavar desplazadas un pequeño ángulo. En este patrón, los electrones se mueven de manera muy distinta a como lo hacen en un cristal normal.

El campo magnético no penetra en un superconductor como un flujo continuo, sino en forma de finos hilos: los vórtices. Normalmente se repelen y se ordenan en una red triangular regular, como flotadores en el agua. Pero en CaSb₂ todo ocurrió de otra manera: los vórtices se agruparon en montones apretados, dejando entre ellos espacios casi vacíos.

Un cristal es como una ciudad: si las calles son torcidas, el tráfico se atasca. En un cristal, el papel de las calles lo juegan las filas de átomos, y el tráfico es el flujo de electrones. Cualquier pequeña irregularidad, impureza o desplazamiento de un átomo hace que los electrones se dispersen.

Una tela que se estira solo a lo largo, pero no a lo ancho. Así es aproximadamente un material semidirácico: en él, los electrones pueden moverse libremente en una dirección, mientras que en la otra apenas se desplazan. Debido a esta anisotropía inusual, en los bordes del cristal bidimensional aparecen caminos especiales: canales unidimensionales.

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.

Una lámina de grafeno de un átomo de espesor está suspendida en el aire, como una sábana tensada. Por ella corren ondas de calor: vibraciones de átomos que los físicos llaman fonones. Antes se pensaba que estas ondas se disipaban rápidamente debido a la fuerte interacción, y que el calor se transmitía mal.

Una lámina de grafeno es una red de átomos de carbono de un átomo de espesor. En ella se ven las más mínimas impurezas, como motas de polvo en los cristales de las gafas. Hace diez años se aprendió a esconder el grafeno entre capas de nitruro de boro, algo así como poner una hoja frágil entre dos trozos de film transparente.

Una lámina de grafeno, una red de carbono de un átomo de espesor, bajo el haz de un láser potente se comporta como una carretera en la que de repente aparece una barrera. Los electrones, que antes corrían libremente por el material, se topan con una banda prohibida: un intervalo de energías que no pueden saltar.

Una lámina de grafeno de un átomo de espesor es como una malla metálica flexible por la que los electrones se mueven casi sin obstáculos. Apila dos de estas láminas con un ligero desplazamiento y las propiedades del material cambian drásticamente: puede convertirse en un aislante que no conduce la corriente.

Una fina lámina de grafeno de unos pocos micrómetros de espesor se colocó en un campo magnético débil, y comenzó a expulsarlo de su interior, como una esponja que, al ser comprimida, expulsa el agua.

Una lámina de grafeno de un átomo de espesor se retuerce en un ángulo pequeño, y comienza a comportarse como un pastel de capas, donde las capas están ligeramente giradas entre sí. En un cierto ángulo de giro, este material se convierte en superconductor: los electrones comienzan a moverse en pares, como bailarines de vals, sin perder energía.

Los circuitos superconductores suelen construirse sobre uniones Josephson, lugares donde la corriente fluye sin resistencia a través de una barrera delgada. Normalmente, esa barrera es una capa de óxido, pero sus propiedades son difíciles de controlar a escala nanométrica.

Una lámina de grafeno de un átomo de espesor es como un mantel perfectamente liso sobre el que ruedan bolitas electrónicas. Coloca una barrera eléctrica en el camino de esas bolitas y, normalmente, rebotarán hacia atrás.

Convertir gases ligeros, como el hidrógeno y el nitrógeno, en metal es un viejo sueño de los físicos. En un nuevo experimento, el nitrógeno se comprimió a 130–140 gigapascales (presión equivalente a 14 millones de kilos sobre una uña) y se calentó a 3000°C.

El bismuto bidimensional sobre un sustrato de silicio es un material prometedor para la electrónica del futuro. Sus bordes conducen la corriente sin pérdidas, como una autopista de alta velocidad sin semáforos. Pero el bismuto es delicado: el aire y la humedad deterioran rápidamente sus propiedades.

Un trozo de oro no atrae clips. Pero si tomamos una película delgada de una aleación de gadolinio, oro y germanio y comenzamos a doblarla, pueden aparecer regiones magnéticas. Los científicos lo hicieron no con las manos, sino con un flujo de iones de helio que penetraba en el material a través de una máscara con patrones.

Un superconductor ordinario y un campo magnético son como el agua y el fuego: el campo rompe los pares de electrones que transportan la corriente sin resistencia. Pero si en lugar de una película continua se utiliza un conjunto de granos diminutos de aluminio, cada uno recubierto por una fina capa de óxido, la situación cambia.

Una lámina de carbono de un átomo de espesor se coloca en un campo magnético intenso y se enfría hasta milésimas de grado por encima del cero absoluto. Un microscopio de microondas se desliza a lo largo del borde de la lámina y mide qué tan bien conduce electricidad ese borde.

Un cristal es como un mosaico perfectamente colocado de átomos. Pero cultivar ese mosaico es una tarea con trampa: basta con que se altere el orden y aparecen "costuras": fronteras donde las filas de átomos no coinciden. Para la electrónica convencional es una nimiedad, pero para una computadora cuántica es una catástrofe.

Los cristales laminares de cupratos se asemejan a una pila de panqueques: cada panqueque es un plano de átomos de cobre y oxígeno, y entre ellos hay capas de otros elementos. Normalmente la superconductividad se estudia en toda la pila, donde las capas se influyen mutuamente.

Un superconductor es un material donde la corriente eléctrica fluye sin pérdidas, como el agua por una tubería perfectamente lisa. Pero si aparecen vórtices, la corriente empieza a 'tropezar' con esos pequeños remolinos. En el grafeno retorcido en un ángulo especial, se pueden crear y estudiar estos vórtices uno a uno.

Una cinta de grafeno de nueve átomos de ancho es como un carril por el que los electrones corren, igual que el agua por un canal estrecho. La radiación gamma es un flujo de partículas con una energía enorme, capaz de atravesar metal y plástico.

El grafeno es una película de carbono de un solo átomo de espesor, un excelente conductor. Pero su superficie es arrugada, como un mantel sin planchar. Los científicos crearon un «sándwich»: dos de esas láminas fuertemente presionadas contra un espaciador que no deja pasar la corriente.

Un cable ordinario a altas frecuencias se parece a una carretera llena de baches: la señal salta y parte de la energía se convierte en calor. Una cadena superconductora de aluminio y arseniuro de indio (un semiconductor) resulta ser una autopista lisa para las microondas.

En un superconductor ordinario, los electrones se unen en pares que permanecen quietos: su impulso total es cero. Pero puede ser diferente: los pares adquieren un impulso común y comienzan a moverse, como un banco de peces nadando contra la corriente. Este estado se llama onda de pares y es muy caprichoso: se necesitan condiciones especiales.

El grafeno es una lámina de carbono de un átomo de espesor. Si se corta en tiras estrechas, se obtienen nanocintas de grafeno. Sus propiedades dependen de cómo se corte la tira: como con un mismo trozo de tela se puede coser tanto un mantel liso como una falda plisada. En el nuevo trabajo, los químicos ensamblaron una cinta de forma asimétrica.

El helio sobre grafito se comporta como un acróbata que se desliza por la cuerda floja y, al mismo tiempo, mantiene la postura.

Una lámina de germanano de un átomo de espesor descansa sobre un trozo de germanio, y la corriente fluye por ella como por una autopista sin semáforos. El germanano es una red plana de átomos de germanio cubierta de hidrógeno, primo del grafeno.