La superconductividad es uno de los fenómenos más fascinantes de la física de materiales. Permite el transporte de corriente eléctrica sin resistencia, lo que la convierte en un campo de investigación clave para la computación cuántica, la electrónica avanzada y las redes de energía. Recientemente, un equipo de físicos del MIT y Harvard ha logrado un avance significativo en el estudio de la superconductividad en el grafeno de ángulo mágico (MATBG, por sus siglas en inglés). Han medido, por primera vez, la “rigidez superfluida” en este material, un parámetro esencial para comprender su capacidad superconductora.
El estudio, publicado en Nature, confirma que la rigidez superfluida del MATBG es mucho mayor de lo esperadosegún la teoría convencional, y que su superconductividad está gobernada por la geometría cuántica más que por los mecanismos tradicionales. Estos resultados no solo proporcionan una mejor comprensión de la superconductividad en materiales bidimensionales, sino que también abren nuevas posibilidades para el desarrollo de dispositivos cuánticos de próxima generación.
¿Qué es el grafeno de ángulo mágico?
El grafeno es una lámina de carbono de un solo átomo de espesor con propiedades extraordinarias. En 2018, el físico Pablo Jarillo-Herrero y su equipo descubrieron que al apilar dos capas de grafeno con un ángulo de rotación preciso de 1,1° —conocido como ángulo mágico— el material adquiría propiedades superconductoras inesperadas. En este estado, los electrones forman pares de Cooper y se mueven sin resistencia a través del material.
El descubrimiento de la superconductividad en el MATBG abrió un nuevo campo en la física de materiales. Sin embargo, el mecanismo exacto detrás de esta superconductividad seguía sin estar claro. En particular, la teoría convencional sugería que la superfluidez de los pares de Cooper debería ser débil, pero las observaciones experimentales indicaban lo contrario.
El papel clave de la rigidez superfluida
Para entender el comportamiento de un superconductor, los físicos analizan su rigidez superfluida, que mide qué tan fácil es inducir una corriente superconductora en el material. Este parámetro es fundamental porque determina la capacidad del material para mantener la superconductividad en diferentes condiciones, como temperatura y carga eléctrica.
En el caso del MATBG, la rigidez superfluida no seguía el patrón esperado de los superconductores convencionales. Según las mediciones del equipo del MIT, su valor era diez veces mayor que las predicciones basadas en la teoría tradicional. Esto llevó a los investigadores a considerar una explicación alternativa: la geometría cuántica.
Geometría cuántica y superconductividad
La geometría cuántica describe cómo los estados electrónicos en un material están organizados en el espacio de fases. En términos sencillos, es una propiedad que determina cómo se mueven los electrones en un material cuando interactúan entre sí. En el MATBG, la geometría cuántica parece ser el factor dominante en la superconductividad, en lugar de la interacción convencional entre electrones y fonones (vibraciones de la red cristalina).
En el estudio, los investigadores observaron que la rigidez superfluida del MATBG era aproximadamente diez veces mayor de lo que predecía la teoría convencional. Además, su dependencia con la temperatura coincidía con las expectativas basadas en la geometría cuántica. Estos resultados sugieren que la superconductividad en el MATBG está fuertemente influenciada por efectos cuánticos y no sigue el comportamiento típico de los superconductores convencionales.
Desarrollo experimental: cómo se midió la rigidez superfluida
Medir la rigidez superfluida en materiales tan delgados como el MATBG representa un desafío técnico. Los métodos tradicionales requieren muestras macroscópicas, pero el MIT desarrolló una nueva técnica experimental basada en circuitos de electrodinámica cuántica en microondas (cQED).
El equipo acopló una muestra de MATBG a un resonador de microondas de aluminio y midió el cambio en su frecuencia de resonancia. Este cambio está directamente relacionado con la inductancia cinética del material, que a su vez permite calcular la rigidez superfluida.
Los resultados obtenidos con este método no solo confirman la presencia de superconductividad no convencional en el MATBG, sino que también abren la puerta al estudio de otros materiales bidimensionales con propiedades similares.
Aplicaciones y futuro de la superconductividad en MATBG
El hallazgo de la rigidez superfluida en el MATBG tiene implicaciones importantes para la tecnología cuántica. Su capacidad de superconductividad robusta y su relación con la geometría cuántica podrían utilizarse para mejorar el rendimiento de computadoras cuánticas, sensores superconductores y dispositivos electrónicos de baja potencia.
Por otra parte, la técnica desarrollada para medir la rigidez superfluida puede aplicarse a una amplia gama de materiales superconductores bidimensionales, lo que permitirá explorar nuevos estados de la materia y diseñar materiales con propiedades cuánticas a medida.
Referencias
- Miuko Tanaka, Joel Î-j. Wang, Thao H. Dinh, Daniel Rodan-Legrain, Sameia Zaman, Max Hays, Bharath Kannan, Aziza Almanakly, David K. Kim, Bethany M. Niedzielski, Kyle Serniak, Mollie E. Schwartz, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Jeffrey A. Grover, Terry P. Orlando, Simon Gustavsson, Pablo Jarillo-Herrero y William D. Oliver. Superfluid Stiffness and Flat-Band Superconductivity in Magic-Angle Graphene Probed by cQED. Nature, 2025. DOI: 10.1038/s41586-024-08494-7.
Cortesía de Muy Interesante
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