Los materiales bidimensionales y el ángulo mágico: una nueva ventana a la frontera de la física

Si tenemos la audacia de abrir cualquier dispositivo electrónico a nuestro alrededor, es fácil sorprenderse por el microscópico tamaño de los circuitos. ¿Cómo de delgado puede hacerse un cable que siga comportándose como tal? Si toda la materia está hecha de átomos, ¿es posible crear un material cuyo grosor sea estrictamente de un átomo, y hacer electrónica con él? Hace dos décadas, en la Universidad de Manchester, el grupo de A. Geim y K. Novoselov se propuso comprobar la respuesta. En algunos materiales, los átomos están fuertemente unidos en todas direcciones, pero en otros, como en el grafito, se ordenan en capas atómicas, pegadas débilmente entre sí por la fuerza de van der Waals. Para hacernos una idea, un milímetro de grafito contiene unos tres millones de capas. En un descubrimiento que ahora es historia y que fue merecedor del premio Nobel, ambos científicos demostraron que es posible separar una sola capa atómica mediante un adhesivo y depositarla en un circuito para medir sus propiedades electrónicas. Era el primer material bidimensional, conocido desde entonces como grafeno.

Demostrado el método, al grafeno pronto siguieron otros muchos materiales de espesor atómico como el disulfuro de molibdeno, y la idea de las llamadas estructuras de van der Waals empezó a cuajar: apilando a voluntad diferentes capas atómicas en una suerte de “Lego a escala atómica”, se podrían crear materiales sintéticos que combinaran o modularan las propiedades electrónicas de los constituyentes. La combinación con otras ventajas prácticas como la facilidad de controlar la cantidad de electrones gracias al llamado efecto campo o la versatilidad que ofrecían para optoelectrónica (la respuesta electrónica a la luz) hicieron de estos sándwiches de capas atómicas una plataforma muy versátil para estudiar todo tipo de problemas en física de materiales y diseñar nuevos dispositivos electrónicos.

Visto desde otra perspectiva, sin embargo, el grafeno no era tan revolucionario. Muchos de los grandes descubrimientos de la llamada física de la materia condensada han sido totalmente inesperados porque, aunque es posible entender y predecir el comportamiento de un electrón mientras se propaga entre el resto de átomos de un material, es muchísimo más difícil hacer predicciones en el caso real en el que todos los electrones, que se repelen entre sí por su carga eléctrica, interactúan a la vez. Pero es en este caso donde emergen los comportamientos colectivos: conductores que se vuelven aislantes por la repulsión electrónica, superconductores donde la resistencia eléctrica es cero, o electrones que en un campo magnético aparentan fraccionarse a pesar de ser indivisibles. Los materiales bidimensionales parecían ser de interacción electrónica débil. Tenían muchas ventajas y eran más fácilmente predecibles, pero quizá resultaban menos atractivos en la búsqueda de nuevos fenómenos colectivos.

La predicción y demostración de un fenómeno asombroso

Con perspectiva, esta intuición resultó estar completamente errada. Debido a la estructura microscópica de los materiales, que forman una red perfecta de átomos, cuando una capa atómica se depositaba sobre otra, “encajaba” mejor en algunas posiciones y orientaciones, como haría el Lego atómico. Sin embargo, se había demostrado que era posible también depositar una capa rotada con respecto a otra, aunque era menos estable y tenía tendencia a reorientarse. Basándose en un trabajo previo que explicaba cómo la velocidad de los electrones en grafeno se reducía al reducir el ángulo de rotación, el grupo de Allan MacDonald (U. Texas) predijo la existencia de un ángulo al que llamó mágico, de 1.1 grados, en el que la velocidad se hacía prácticamente cero, y los efectos de correlación electrónica aumentaban espectacularmente. En la práctica, sin embargo, elegir el ángulo con precisión de una décima de grado parecía ciencia ficción: si el ángulo fuera el que describen las agujas de un reloj, sería como distinguir el paso de un segundo con la aguja de los minutos. La mayoría de grupos consideraron la predicción una curiosidad académica.

El grupo de Pablo Jarillo-Herrero (MIT) supo cómo hacerlo. En la reunión anual de la Sociedad Americana de Física de 2018, Jarillo mostró al mundo cómo depositar una capa de grafeno rotada sobre otra a 1.1 grados, que se volvía superconductora al inyectar una pequeña cantidad de electrones. El descubrimiento, mantenido en secreto hasta entonces, demostró cómo el control de la rotación entre materiales bidimensionales, bautizado como twistrónica, abría la puerta a un nuevo mundo de correlación electrónica. Replicado por varios grupos, el experimento dio lugar a una cascada de descubrimientos basados en diferentes materiales, incluyendo superconductividad no convencional, magnetismo orbital, cristalización de Wigner e incluso el efecto Hall fraccionario sin campo magnético externo, que no había sido observado nunca hasta entonces. Las implicaciones eran asombrosas: fenómenos físicos que había llevado décadas caracterizar y entender en multitud de materiales aparecían manipulando una sola muestra, y fenómenos nunca vistos eran reproducidos en varios grupos en cuestión de meses.

Por la predicción y demostración de la twistrónica, MacDonald y Jarillo-Herrero han sido galardonados este año con el premio Fronteras del Conocimiento de la Fundación BBVA. No es exagerado decir que han abierto una nueva ventana a la frontera de la física. A día de hoy, la sensación es que el campo no ha hecho más que empezar, y la comunidad se pregunta qué más está a punto de ser descubierto. La superconductividad topológica, la versión más elusiva de este efecto, podría estar a la vuelta de la esquina. O más probablemente, algún fenómeno que aún no podemos anticipar y que tardaremos en explicar. Mientras tanto, no dejará de sorprendernos la física fundamental que puede encontrarse en materiales y procedimientos aparentemente sencillos, desde el simple adhesivo que separó la primera capa atómica hasta el pequeño giro que lo cambió todo.

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