La superconductividad es un fenómeno fascinante que permite a ciertos materiales conducir electricidad sin resistencia alguna. Esta propiedad tiene implicaciones tecnológicas significativas, lo que ha llevado a una intensa investigación en esta área. Sin embargo, la superconductividad no es un concepto sencillo y presenta comportamientos complejos, como el efecto de doble cúpula. Este efecto se manifiesta cuando se representa gráficamente la aparición de superconductividad en un material al variar la densidad de electrones, revelando regiones superconductoras que a veces parecen formar dos «cúpulas» separadas.
La conexión con el grafeno
El grafeno, una estructura de carbono de un solo átomo de grosor dispuesta en una red similar a un panal, ha revolucionado la investigación en materiales cuánticos, mostrando efectos inusuales. Al apilar dos capas de grafeno y torcerlas en ángulos específicos, los electrones en el grafeno se comportan de maneras nuevas y sorprendentes, generando fases cuánticas como magnetismo, aislamiento eléctrico y, por supuesto, superconductividad. La estructura más compleja, conocida como grafeno triláyer con ángulo mágico (MATTG), permite observar y controlar un patrón de superconductividad de doble cúpula que antes solo se sospechaba en sistemas de grafeno.
Un estudio reciente publicado en Nature Physics, liderado por Mitali Banerjee en la EPFL y colaborando con equipos de Suiza, Reino Unido y Japón, ha demostrado que el MATTG permite el control directo del patrón de superconductividad de doble cúpula. A través de un apilamiento cuidadoso de las capas y la aplicación de un campo eléctrico, los investigadores lograron ajustar el sistema y rastrear la aparición y desaparición de la superconductividad al variar la densidad de electrones.
El equipo construyó dispositivos compuestos por tres capas de grafeno, donde la capa del medio está torcida aproximadamente 1.55 grados respecto a las otras. Este apilamiento se colocó entre capas delgadas de nitruro de boro hexagonal aislante, añadiendo electrodos y puertas para controlar con precisión la densidad de electrones y aplicar un «campo de desplazamiento» eléctrico, lo que permitió a los investigadores activar o desactivar la superconductividad.
Las mediciones realizadas mostraron cómo la resistencia del MATTG cambiaba al variar la densidad de electrones, el campo magnético y la corriente aplicada a temperaturas cercanas al cero absoluto (100 milikelvins). Esto permitió mapear las regiones donde aparecía la superconductividad. Ajustando el campo de desplazamiento, los científicos pudieron modificar aún más la estructura de bandas del material, que determina cómo se mueven y comportan los electrones, facilitando el control sobre la aparición y desaparición del patrón de doble cúpula.
Los resultados indicaron que la superconductividad en el grafeno triláyer torcido no se manifiesta como una región continua, sino que se divide en dos cúpulas separadas a medida que se ajusta la densidad de electrones. Entre estas cúpulas, la superconductividad se ve fuertemente suprimida, lo que sugiere una posible competencia o cambio en el mecanismo de emparejamiento subyacente. Cada cúpula presenta características únicas: una de ellas muestra una transición más abrupta a la superconductividad, mientras que la otra presenta un cambio más gradual.
Además, los investigadores desarrollaron trabajos teóricos (cálculos de Hartree-Fock) para interpretar sus hallazgos experimentales, sugiriendo que cambios sutiles en la disposición de los electrones, influenciados tanto por interacciones como por el campo de desplazamiento aplicado, determinan dónde se favorece la superconductividad. Los datos apuntan a diferentes tipos de emparejamiento de electrones en las dos cúpulas, posiblemente vinculados a cambios en el «orden» electrónico del sistema.
Este estudio destaca al MATTG como el primer sistema donde la superconductividad de doble cúpula puede ser controlada directamente mediante un campo eléctrico. Esto abre nuevas posibilidades para estudiar cómo surge la superconductividad no convencional y cómo se puede ajustar, lo que podría tener implicaciones en el diseño de dispositivos cuánticos o en la exploración de nuevos estados de la materia en materiales diseñados.
