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Un investigador español en el MIT crea el grafeno más versátil gracias al apoyo de la Fundación bancaria «La Caixa» y la Fundación Ramón Areces

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En una hazaña digna de un laboratorio concebido por JK Rowling, los investigadores y colegas del MIT han convertido un material «mágico» compuesto de capas de carbono atómicamente delgadas en tres útiles dispositivos electrónicos. Normalmente, estos dispositivos, todos clave para la industria de la electrónica cuántica, se crean utilizando una variedad de materiales que requieren múltiples pasos de fabricación. El enfoque del MIT resuelve automáticamente una variedad de problemas asociados con esos procesos más complicados.

Como resultado, el trabajo podría marcar el comienzo de una nueva generación de dispositivos electrónicos cuánticos para aplicaciones que incluyen la computación cuántica. Además, los dispositivos pueden ser superconductores o conducir electricidad sin resistencia. Sin embargo, lo hacen a través de un mecanismo poco convencional que, con más estudios, podría proporcionar nuevos conocimientos sobre la física de la superconductividad. Los investigadores informan sus resultados en la edición del 3 de mayo de 2021 de Nature Nanotechnology .

“En este trabajo hemos demostrado que el grafeno de ángulo mágico es el más versátil de todos los materiales superconductores, lo que nos permite realizar en un solo sistema una multitud de dispositivos electrónicos cuánticos. Con esta plataforma avanzada, hemos podido explorar por primera vez una física superconductora novedosa que solo aparece en dos dimensiones ”, dice Pablo Jarillo-Herrero, profesor de física de Cecil e Ida Green en el MIT y líder del trabajo. Jarillo-Herrero también está afiliado al Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT.

Un ángulo mágico
El nuevo material «mágico» está basado en grafeno. El grafeno está compuesto por una sola capa de átomos de carbono dispuestos en hexágonos que se asemejan a una estructura de panal. Solo descubierto hace unos 17 años, tiene una variedad de propiedades asombrosas. Por ejemplo, es más fuerte que el diamante, transparente y flexible. También conduce fácilmente tanto el calor como la electricidad.

En 2018, el grupo Jarillo-Herrero hizo un descubrimiento sorprendente que involucraba dos capas de grafeno, una colocada encima de la otra. Sin embargo, esas capas no estaban exactamente una encima de la otra; más bien, uno fue girado ligeramente en un «ángulo mágico» de 1,1 grados.

La estructura resultante permitió que el grafeno fuera un superconductor o un aislante (lo que evita el flujo de corriente eléctrica), dependiendo de la cantidad de electrones en el sistema proporcionados por un campo eléctrico. Esencialmente, el equipo pudo sintonizar el grafeno en estados completamente diferentes cambiando el voltaje al girar una perilla.

El material “mágico” general, conocido formalmente como grafeno bicapa retorcido de ángulo mágico (MATBG), ha generado un gran interés en la comunidad de investigadores, e incluso ha inspirado un nuevo campo (twistronics). También está en el corazón del trabajo actual.

En 2018, Jarillo-Herrero y sus compañeros de trabajo cambiaron el voltaje suministrado al material mágico a través de un solo electrodo o puerta metálica. En el trabajo actual, «introdujimos múltiples puertas para someter diferentes áreas del material a diferentes campos eléctricos», dice Daniel Rodan-Legrain, estudiante graduado en física y autor principal del artículo Nature Nanotechnology .

De repente, el equipo pudo sintonizar diferentes secciones del mismo material mágico en una plétora de estados electrónicos, desde superconductores hasta aislantes y en algún punto intermedio. Luego, al aplicar puertas en diferentes configuraciones, pudieron reproducir todas las partes de un circuito electrónico que normalmente se crearían con materiales completamente diferentes.

Dispositivos de trabajo
Al final, el equipo utilizó este enfoque para crear tres dispositivos electrónicos cuánticos de trabajo diferentes. Estos dispositivos incluyen una unión Josephson o un interruptor superconductor. Las uniones de Josephson son los bloques de construcción de los bits cuánticos, o qubits, detrás de las computadoras cuánticas superconductoras. También tienen una variedad de otras aplicaciones, como la incorporación a dispositivos que pueden realizar mediciones muy precisas de campos magnéticos.

El equipo también creó dos dispositivos relacionados: un dispositivo de efecto túnel espectroscópico y un transistor de un solo electrón, o un dispositivo muy sensible para controlar el movimiento de la electricidad, literalmente el de un electrón a la vez. El primero es clave para estudiar la superconductividad, mientras que el segundo tiene una variedad de aplicaciones, en parte debido a su extrema sensibilidad a los campos eléctricos.

Los tres dispositivos se benefician de estar hechos de un solo material eléctricamente sintonizable. Los fabricados convencionalmente, de múltiples materiales, sufren una variedad de desafíos. Por ejemplo, diferentes materiales pueden ser incompatibles. «Ahora, si se trata de un solo material, esos problemas desaparecen», dice Rodan-Legrain.

William Oliver, profesor asociado del MIT en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación que no participó en la investigación, dice:

“MATBG tiene la propiedad notable de que sus propiedades eléctricas (metálicas, superconductoras, aislantes, etc.) se pueden determinar aplicando un voltaje a una puerta cercana. En este trabajo, Rodan-Legrain et al. han demostrado que pueden fabricar dispositivos bastante complicados que comprenden regiones superconductoras, normales y aislantes mediante la activación eléctrica de una única escama de MATBG. El enfoque convencional sería fabricar el dispositivo en varios pasos utilizando diferentes materiales. Con MATBG, los dispositivos resultantes son completamente reconfigurables simplemente cambiando los voltajes de la puerta «.

Además de Jarillo-Herrero y Rodan-Legrain, los autores adicionales del artículo son Yuan Cao, asociado postdoctoral en el Laboratorio de Investigación de Materiales (MRL) del MIT; Jeong Min Park, estudiante de posgrado en el Departamento de Química; Sergio C. de la Barrera, asociado postdoctoral en el MRL; Mallika T. Randeria, becaria postdoctoral Pappalardo en el Departamento de Física; y Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi, ambos del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón. (Rodan-Legrain, Cao y Park contribuyeron por igual al artículo).

Este trabajo fue apoyado por la US National Science Foundation, el US Department of Energy, la US Army Research Office, la Fundació Bancaria “la Caixa”, la Gordon and Betty Moore Foundation, la Fundación Ramon Areces, una MIT Pappalardo Fellowship y la Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología (MEXT) de Japón.