Un nuevo giro y secretos de la superconductividad.

La aparición repentina de un superconductor parecía una coincidencia, pero la nueva teoría y el segundo descubrimiento mostraron que las cuasipartículas emergentes podrían estar detrás de este efecto.





Los Skyrmions surgen del comportamiento colectivo de muchos electrones, pero se comportan como partículas individuales.



Durante los últimos tres años, los electrones han estado jugando para los físicos.



El juego comenzó en 2018 cuando el laboratorio de Pablo Jarillo-Herrero anunció un hallazgo de una década : cuando los investigadores apilaron una capa de átomos de carbono encima de otra, aplicaron un giro "mágico" de 1,1 grados entre ellos y luego enfriaron las placas atómicas para cerca del cero absoluto, entonces la muestra se convirtió en un conductor ideal de electrones.



¿Cómo conspiraron las partículas para deslizarse sin problemas a través de las láminas de grafeno? El "muaré" caleidoscópico creado por el ángulo de inclinación parecía un resultado significativo, pero nadie estaba seguro. Para averiguarlo, los investigadores comenzaron a doblar y torcer (girar) cualquier material que pudieran tener en sus manos.



Al principio, los electrones siguieron el juego. Una serie de experimentos ha demostrado que en muchos materiales planos, las bajas temperaturas provocan una fuerte caída de la resistencia eléctrica. Parecía que las condiciones necesarias para una conductividad ideal ya se entendían mejor y, por lo tanto, ese paso seductor hacia la revolución de la electrónica estaba cerca.



" Parecía que la superconductividad estaba en todas partes", dijo Matthew Yankowitz , físico de materia condensada de la Universidad de Washington, "sin importar el sistema que se mirara".



Pero los electrones de repente "se pusieron una máscara de falsa modestia". A medida que los investigadores estudiaron las muestras más de cerca, los casos de superconductividad desaparecieron. En algunos materiales, la resistencia en realidad no se redujo a cero. Hubo resultados contradictorios en las diversas muestras estudiadas. Sólo en el grafeno bicapa original los electrones se movían realmente sin "resistencia" en la mayoría de los casos.



"Teníamos todo un zoológico de diferentes materiales retorcidos, y el grafeno retorcido de dos capas era el único superconductor", dijo Jankowitz.



Luego, durante el último mes en dos artículos publicados en las revistas "Nature" y "Science", se describió otro superconductor, un "sándwich" de grafeno de tres capas con dos hojas de "pan" exteriores uniformes y una hoja de relleno girada 1,56 grados.

La inconfundible capacidad de transferir electrones del grafeno retorcido de tres capas confirma que el sistema de dos placas no fue un accidente. "Fue el primero de una familia de superconductores de muaré", dijo Jarillo-Herrero, físico del Instituto de Tecnología de Massachusetts que también dirigió uno de los nuevos experimentos, y este es el segundo miembro de la familia.





Revista Samuel Velasco / Quanta; Fuente: Cortesía de Pablo Jarillo-Herrero





Es importante destacar que este segundo "hermano" ayudó a arrojar luz sobre el mecanismo subyacente que podría ser responsable de la superconductividad de estos materiales.



Unos meses después del descubrimiento de 2018, un grupo de teóricos comenzó a pensar en el mecanismo que convirtió al grafeno bicapa en un superconductor. Sospechaban que una característica geométrica en particular podría permitir que los electrones se arremolinen en vórtices exóticos que se comporten de formas completamente nuevas. Este mecanismo, que es diferente a cualquiera de los (pocos) circuitos superconductores conocidos, podría explicar el éxito de la superconductividad de grafeno bicapa, así como las fallas de otros materiales. También predijo que el "hermano" de tres capas del grafeno también sería un superconductor.



Pero esto siguió siendo solo una teoría, al menos hasta que los laboratorios pudieron probarla. "Por lo que sabemos ahora, esta dirección parece emocionante", dijo Eslam Khalaf , un investigador de la Universidad de Harvard que ayudó a desarrollar el modelo. "No todos los días aparece una nueva forma de producir superconductividad".

Tres milagros

En un mundo caótico donde abunda la fricción y las partículas nunca permanecen estacionarias, un fenómeno tan perfecto como la superconductividad no tiene derecho a existir. Sin embargo, los metales comunes como el mercurio se muestran regularmente a bajas temperaturas, como descubrió accidentalmente Heike Kamerling Onnes a principios del siglo XX.



El secreto es que las vibraciones cercanas al cero absoluto en la red atómica de un metal rompen los electrones libres en pares. Estos pares interactúan de una manera que los electrones individuales no pueden interactuar, formando un único "superfluido" mecánico cuántico que fluye a través del material sin una sola colisión de electrones con un átomo (que genera calor y resistencia). La teoría original de la superconductividad, desarrollada en 1957, la describió como una "danza" electrónica sofisticada que puede ser interrumpida por todos los entornos menos ideales. "Es una especie de milagro que se conecten, porque los electrones se repelen mucho", dijo Ashwin Vishwanath , físico teórico de Harvard.



En 1986, los investigadores notaron que los electrones realizaban un segundo milagro, esta vez en una familia de compuestos de cobre conocidos como cupratos. Los materiales podrían de alguna manera mantener la superconductividad decenas de grados por encima de la temperatura que a menudo separa los pares de electrones ordinarios. Parecía haber un nuevo mecanismo en funcionamiento, que probablemente esté relacionado principalmente con los electrones mismos y no con su estructura atómica.





El equipo de Ashwin Vishwanath ideó una forma de comprender la superconductividad en el grafeno mediante el estudio de su estructura geométrica. Cortesía de Ashwin Vishwanath



Pero después de décadas de intenso estudioLos investigadores aún no están seguros de cómo los electrones en los cupratos gobiernan sus habilidades superconductoras. Predecir el comportamiento de los conglomerados electrónicos implica calcular la fuerza bruta de cada partícula entre sí, un cálculo que aumenta en complejidad de manera exponencial a medida que aumenta el número de electrones. Para comprender incluso la partícula más pequeña de un superconductor, los teóricos deben comprender el comportamiento de los billones de electrones. La simulación actual puede manejar alrededor de una docena.



Los experimentadores no están en la mejor posición en este momento. Pueden hacer crecer nuevos cristales intercambiando un átomo por otro y probar sus propiedades. Pero el material no revela qué están haciendo los electrones en su interior. Y los investigadores no saben cómo se comportará el material hasta que lo hagan. “Nadie podía decir que iba a hacer este nuevo [cuprato]”, dijo Yankowitz, “y predecir cuál sería [la temperatura a la que se convertiría en superconductor]. Ahora es una tarea tremendamente difícil ".



Las propiedades únicas del grafeno bicapa retorcido lo hacían más transparente que los cupratos. En lugar de crear una sustancia completamente nueva, los experimentadores podrían cambiar las propiedades del grafeno con solo un campo eléctrico, lo que lo convirtió, según muchos investigadores, en un "patio de recreo" para la superconductividad.



"Este es un desafío emocionante y una característica notable del grafeno bicapa retorcido", dijo Subir Sachdev , físico de materia condensada en Harvard. "Esto proporciona un conjunto completamente nuevo de herramientas para estudiar el movimiento de los electrones".



También ofreció orientación teórica. En un ángulo mágico de 1,1 grados, las celosías en forma de panal de grafeno están conectadas de tal manera que, por lo general, los electrones rápidos se mueven lentamente; los físicos describen este material como "rayas planas". Los electrones inertes pasan más tiempo juntos, lo que les da la oportunidad de organizarse.



Pero el liderazgo fue vago. Los electrones en materiales con rayas planas pueden comunicarse de muchas maneras, y el emparejamiento superconductor es solo una de ellas. Los investigadores apilaron muchas placas atómicas en ángulos mágicos para suavizar las rayas, pero el rayo superconductor no quería quedar atrapado en la botella.



Parecía que les faltaba algo importante.

Skyrmions de vórtice

En marzo de 2018, poco después del descubrimiento de la superconductividad en el grafeno retorcido, Vishwanath y sus colegas intentaron desmitificar el ángulo mágico y comprender qué podía mantener unidos a los electrones.



Era imposible escribir una teoría que reflejara completamente el movimiento de los electrones rebeldes en el grafeno bicapa, por lo que los teóricos comenzaron imaginando partículas que se comportaban un poco mejor. Vieron la celosía de grafeno hexagonal como dos subredes de triángulos. Cuando los electrones se mueven de un átomo a otro, normalmente "saltan" a un átomo en la rejilla opuesta. A veces, un rebelde salta a un átomo de la misma cuadrícula.









Vishwanath y compañía insistieron en que los electrones siempre estaban cambiando la red. Esta elección hizo que fuera matemáticamente más limpio subdividir la cuadrícula hexagonal en triangulares. Y en el grafeno de dos capas, con sus dos capas, se descubrió una característica oscura que finalmente se volvió importante: los electrones, al estar confinados de esta manera, comenzaron a moverse como si estuvieran bajo la influencia de un campo magnético. En particular, los electrones en una subred aparentemente sintieron un campo magnético positivo, mientras que los electrones en la otra subred sintieron uno negativo. Los teóricos no eran muy conscientes de esto, pero la clave de una nueva teoría de la superconductividad estaba en la superficie.



Cuando se aplicó la teoría para obtener el ángulo mágico de 1,1 grados en agosto de 2018 en el grafeno bicapa, Vishwanath y sus colegas comenzaron a aumentar el número de capas de grafeno. La teoría, que se desarrolló originalmente para dos capas, se aplicó a las nuevas estructuras mucho mejor de lo esperado. Descubrieron que podían calcular el ángulo mágico para cada pila de grafeno sucesiva utilizando relaciones simples que parecían fuera del alcance de la creciente complejidad de los sistemas más masivos.



“En la física de la materia condensada, uno nota especialmente que está haciendo algo muy cercano a la realidad física o incluso práctica, pero de vez en cuando ve este mundo ideal, que se esconde detrás”, dijo Vishwanath.



A medida que el grupo realizó más investigaciones, agregando detalles más realistas a la teoría, surgió la superconductividad, pero de una manera completamente nueva. Es posible que no se formaran pares de electrones, sino corrientes de electrones conocidas como skyrmions.... Dado que el grafeno bicapa consta de dos capas, tiene cuatro subredes, pero estas subredes con la misma carga magnética actúan como una sola. Los campos magnéticos efectivos hacen que los electrones que visitan los átomos de una cuadrícula tiendan a hacer la superficie rugosa, mientras que los electrones de otra cuadrícula tienden a suavizarla. Esta configuración puede bloquear los electrones en su lugar para que el sistema se comporte como un aislante. (Curiosamente, los experimentos con cupratos y grafeno bicapa retorcido sugieren que ambos materiales actúan como aislantes justo antes de convertirse en superconductores).



Pero si perturba el equilibrio con una carga adicional, los electrones de cada subred pueden adoptar un patrón de vórtice colectivo, un skyrmion, donde un electrón en rotación en el epicentro de una tormenta lo endurece (o lo suaviza) y sus vecinos se suavizan. en forma de espiral.









Aunque miles de electrones pueden entrar en el skyrmion del grafeno, el vórtice actúa como si fuera una partícula con la carga de un electrón. Se podría esperar que los skyrmions negativos se repelen entre sí, pero las reglas de la mecánica cuántica que gobiernan cómo los electrones "saltan" entre dos subredes en realidad atraen a los skyrmions en cuadrículas opuestas. En otras palabras, forman pares de cargas similares a los electrones, un requisito fundamental para la superconductividad.



La clave de la historia de skyrmion es la simetría rotacional de 180 grados, que determina la transferencia de electrones entre subredes triangulares. El rectángulo tiene la misma simetría. Tanto el hexágono como la celosía rectangular o hexagonal lo tienen. Pero doblar y torcer hojas de cualquier otra cosa que no sea grafeno rompe ese orden. Finalmente, Viswanath y sus colegas pudieron explicar por qué el zoológico de celosía retorcida no logró convertirse en un superconductor.



“Fue el momento en el que todo encajó”, dijo Khalaf.

Teoría y grafeno

Jarillo-Herrero ya pensaba que algo bueno puede venir de tres capas. Los electrones en materiales con franjas planas se mueven lo suficientemente lento para que las partículas trabajen juntas, pero la superconductividad se puede mejorar "dispersando" franjas, a través de las cuales los vapores se mueven más fácilmente. Para el grafeno retorcido de dos capas, el primero es característico. La última afirmación es típica del grafeno de una sola capa. Ponerlos juntos puede darnos lo mejor de ambos mundos.



Luego vino la predicción del grupo Vishwanath de que 1,5 grados es el ángulo mágico para crear skyrmions superconductores en tres capas de grafeno.



Teniendo en cuenta estos argumentos, tanto el laboratorio de Jarillo-Herrero como el de Philip Kimen Harvard comenzó a crear pilas de tres capas de hojas de grafeno. Ambos laboratorios vieron todo lo que los teóricos predijeron y más. Laboratorio





Pablo Jarillo-Herrero





Laboratorio Philip Kim.

Fuente de la foto: Bryce Wickmark; Eliza Grinnell / Harvard SEAS



Si el grafeno de dos capas es una plataforma para la superconductividad, entonces el grafeno de tres capas es una verdadera celebración y festival. Los experimentadores no solo pueden ajustar el número de electrones en las redes, también pueden mover electrones arbitrariamente entre capas utilizando un segundo campo eléctrico. Con esta flexibilidad, los investigadores pueden buscar puntos dulces superconductores, haciendo que los electrones se sientan como si se estuvieran moviendo a través de un sistema de dos capas, un sistema de una sola capa o cualquier número de sistemas híbridos.



Utilizando esta capacidad de personalización sin precedentes, los laboratorios han confirmado que, a diferencia de otros materiales retorcidos, el grafeno de tres capas pasa todas las pruebas de superconductividad. También encontraron varias indicaciones indirectas de que la superconductividad se produce de formas inusuales.



Primero, los electrones interactúan muy bien. En los superconductores convencionales, donde grupos de átomos se emparejan con electrones libres, solo 1 electrón de cada 100.000 se une al superfluido superconductor. Los cupratos involucran aproximadamente 1 de cada 30 electrones libres. Pero en el sistema de tres capas, según los investigadores, participa una de cada diez personas.



Los elementos en pares superconductores, ya sean electrones o skyrmiones, también están bastante juntos. Los extremos de los pares de electrones en el aluminio superenfriado están espaciados 10,000 veces la distancia promedio entre electrones, que es como una sopa de espaguetis largos. Y en el grafeno de tres capas, los pares superconductores se agrupan como macarrones, y los elementos están igualmente cerca tanto del "compañero" como de los "vecinos".



Dado lo difícil que es saber todo lo que sucede dentro de un material a nivel subatómico, es demasiado pronto para decir que los skyrmions proporcionan superconductividad en el grafeno multicapa. Pero para Halaf, el extraño comportamiento que observaron Jarillo-Herrero y Kim converge con vórtices de electrones.



A diferencia de los pares de electrones estándar, los pares de skyrmion se unen estrechamente para producir una superconductividad altamente eficiente. Los objetos compuestos también son grandes y están poco espaciados.



Y en los metales estándar, los electrones, que caen en un estado que presupone una elección entre una variedad de acciones posibles, conducen a una fuerte superconductividad. Pero cuando los investigadores dieron ese tipo de libertad a los electrones en un sistema de tres capas, la superconductividad desapareció. Según Khalaf, esto puede deberse a que la mayor libertad permite que los skyrmions se desmoronen.



"No creo que definitivamente podamos considerar este superconductor poco convencional", dijo Corey Dean., físico de materia condensada de la Universidad de Columbia. Pero agregó que la reacción inusual al aumento de la libertad "definitivamente apunta en la dirección opuesta".



Si la simetría rotacional que Vishwanath y sus colegas han identificado es de hecho crítica para la superconductividad del grafeno multicapa, los científicos de materiales algún día pueden usar este hecho para orientarse en un campo de muchos miles de millones de materiales posibles y encontrar una red que pueda mantener unidos los electrones. en un día caluroso.



Las cargas en el grafeno retorcido están distribuidas de forma demasiado fina a través de células muaré gigantes para la superconductividad a altas temperaturas, pero el vínculo que las mantiene juntas, ya sean skyrmions o lo que sea, parece fuerte. Los investigadores esperan que un mayor estudio del grafeno retorcido y las teorías que expliquen sus propiedades inusuales expliquen su superconductividad confiable y señalen el camino hacia una red que pueda absorber más calor.



"Si obtiene el mismo efecto en la escala de átomos, entonces realmente se aplicará", dijo Sachdev. (Lo omití, lo resumí)