La superconductividad no convencional del grafeno con ángulo mágico
Desde hace más de un siglo sabemos que algunos materiales, si se enfrían lo suficiente, dejan de oponer resistencia al paso de la corriente eléctrica. Es la superconductividad, descubierta en 1911 y explicada décadas después con una teoría que durante mucho tiempo pareció definitiva: en los superconductores convencionales, las vibraciones de la red atómica ayudan a que los electrones (que en principio se repelen entre sí) acaben formando parejas capaces de moverse juntas sin perder energía (puedes ver aquí una explicación un poco más detallada).
Pero en 2018 apareció un material que no encajaba del todo en ese guion. Bastaba con superponer dos láminas de grafeno (cada una del grosor de un solo átomo de carbono) y girar una respecto a la otra un ángulo minúsculo, cercano a 1,1 grados, para que el sistema se volviera superconductor. A ese giro se le llamó, con motivo, ángulo mágico. Desde entonces, la gran pregunta ha sido si esta superconductividad obedece al mismo mecanismo de siempre o si esconde algo distinto. Un estudio publicado recientemente aporta unos resultados experimentales especialmente relevantes: cuando se debilitan las fuerzas eléctricas entre los electrones, la superconductividad desaparece por completo.
Un giro que cambia las reglas del juego
El grafeno, por sí solo, ya es un material poco convencional. Pero cuando se apilan dos capas y se gira una respecto a la otra, aparece un dibujo de interferencia geométrica llamado patrón de moiré (parecido al que se forma al superponer dos mosquiteras finas y desplazar una sobre la otra). Cerca del ángulo mágico, ese patrón aplana las bandas de energía por las que se mueven los electrones, que se enencuentran con que tienen menos libertades de movimiento, de modo que las interacciones eléctricas entre ellos pasan a dominar su comportamiento.
Esa superconductividad, tan sensible a las interacciones, aparecía además muy cerca de estados aislantes provocados por esas mismas interacciones, en un diagrama de fases que recordaba al de los superconductores de alta temperatura basados en óxidos de cobre. El parecido no demostraba que ambos materiales compartieran mecanismo, pero sí abría una posibilidad intrigante: quizá, en el grafeno de ángulo mágico, la repulsión entre electrones no fuera solo un obstáculo que vencer, sino parte de la explicación de por qué existe la superconductividad.
Apantallar sin tocar el superconductor
Para poner a prueba esa idea, el equipode investigadores construyó un apilamiento de cuatro láminas de grafeno que forman, en realidad, dos bicapas giradas independientes, una justo encima de la otra. La bicapa inferior, con un ángulo cercano al mágico (1,15 grados), era la protagonista: la que podía volverse superconductora. La bicapa superior, con un ángulo distinto (0,46 grados), hacía de pantalla eléctrica ajustable.
La idea del apantallamiento no es nada exótica, aunque no solamos llamarla así en la vida cotidiana. Una carga eléctrica genera un campo a su alrededor, pero si hay otras cargas cerca capaces de reorganizarse, estas amortiguan parte del alcance del campo, algo parecido a una multitud que atenúa la influencia de una persona sobre quienes están más lejos. En el experimento, al aumentar (mediante un voltaje de puerta) el número de electrones en la bicapa superior, se reforzaba su capacidad de apantallar las fuerzas que sentían los electrones de la bicapa inferior. Lo esencial es que ambas bicapas permanecían eléctricamente desacopladas, sin que los electrones pasaran de una a otra: la capa superior no añadía ni quitaba electrones al superconductor, solo modificaba el entorno eléctrico en el que este existía.
Y la superconductividad se apagó
El resultado fue contundente. A medida que crecía el apantallamiento de la capa vecina la temperatura crítica (la temperatura por debajo de la cual aparece la superconductividad) caía, la corriente máxima que el material podía transportar sin resistencia disminuía, y finalmente la superconductividad desaparecía por completo, con variaciones de más de un orden de magnitud. A la vez se suprimían los estados aislantes asociados a las interacciones electrónicas.
Este comportamiento permite distinguir entre dos familias de explicaciones. Si el mecanismo fuera el convencional (vibraciones atómicas como protagonistas, y la repulsión eléctrica como un estorbo que compensar), reducir esa repulsión debería mantener la superconductividad o incluso reforzarla un poco, como sugería un experimento anterior con grafeno bicapa normal como pantalla, donde la temperatura crítica llegó a subir un 2 o 3 por ciento. Aquí ocurrió lo contrario, cuanto más se debilitaban las interacciones eléctricas, más se debilitaba la superconductividad. Ese resultado, según los propios autores, resulta difícil de conciliar con un mecanismo convencional (lo de que el mecanismo no es convencional está claro desde hace tiempo, véase, por ejemplo, esto) y apunta a que las interacciones entre electrones son parte activa del proceso que los empareja.
La distancia importa, y mucho
Experimentos anteriores ya habían intentado apantallar el grafeno de ángulo mágico con puertas de grafito, separadas por espaciadores de nitruro de boro hexagonal de varios nanómetros. Lograron suprimir los estados aislantes, pero apenas tocaron la superconductividad. La clave parece estar en la distancia: en el nuevo dispositivo, la pantalla está separada del superconductor por menos de un nanómetro (un orden de magnitud más cerca que antes), y los cálculos del estudio muestran que la eficacia del apantallamiento decae muy rápido en cuanto la separación supera un par de nanómetros. Es una lección típica de la física a escala atómica: unos pocos átomos de distancia pueden cambiarlo todo.
Esto es una pista, no la respuesta
Conviene no exagerar el alcance del hallazgo. El experimento demuestra, con bastante solidez, que las interacciones electrónicas son un ingrediente necesario de esta superconductividad y descarta el mecanismo convencional como explicación principal, pero no identifica con certeza qué mecanismo concreto es el responsable. Los autores han modelado, con cierto éxito, una posibilidad basada en plasmones (oscilaciones colectivas de los electrones), aunque reconocen que otras propuestas no convencionales, como las mediadas por skyrmiones o por estados de coherencia entre valles, tampoco quedan descartadas.
Ocho años después de su descubrimiento el grafeno de ángulo mágico sigue demostrando que los giros más pequeños esconden preguntas enormes, entre ellas la más fascinante: cómo consiguen los electrones, que naturalmente se repelen, organizarse para transportar electricidad sin resistencia alguna.
Referencia:
Julien Barrier, Liangtao Peng, Shuigang Xu, Christophe De Beule, V. I. Fal’ko, K. Watanabe, T. Tanigushi, A. K. Geim, Shaffique Adam, and Alexey I. Berdyugin (2026) Coulomb Screening of Superconductivity in Magic-Angle Graphene Phys. Rev. X doi: 10.1103/z9qg-287y
Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance
