Páginas

Páginas

martes, 1 de marzo de 2022

El mundo cuántico de los materiales - Leni Bascones

 El mundo cuántico de los materiales.







Al mencionar la física cuántica es habitual que la imaginación nos evoque fenómenos cuanto menos extraños, incluso exotéricos. Lo podemos ver escribiendo física cuántica en el buscador de nuestro navegador de internet y fijándonos en las imágenes que aparecen. Rayos de colores intensos entremezclados, espacios curvos, muchas fórmulas, y por supuesto algún que otro gato que no sabemos si está vivo o muerto. Pocas veces al pensar en física cuántica viajará nuestra imaginación a los materiales, esos materiales que podemos coger con nuestras manos, ver con nuestros ojos y utilizar en multitud de aplicaciones que hacen más fácil nuestro día a día. ¿Pensaríais en un óxido ante la palabra cuántica? Lo cierto es que la física cuántica no solo está detrás de sus propiedades, en particular de las propiedades electrónicas que son las que nos interesan en este capítulo, sino que va a ser capaz de dar lugar a fenómenos fascinantes.

Para explicar las propiedades de los óxidos y de otros materiales, además de la física cuántica va a ser crucial el papel que juegan las interacciones entre los electrones y el que haya un número macroscópico de estos. Cuando tenemos muchas partículas o seres que interactúan se producen nuevos fenómenos emergentes que no podríamos ni entender ni realizar si nos fijásemos en las partículas de forma individual. En estos casos hablamos de comportamiento colectivo. Pensemos por ejemplo en las ciudades. Los grandes atascos a las ocho de la mañana no son el resultado de un gen humano que se activa y decide que es la hora de coger el coche, sino de una estructura social que resulta de cómo se organizan las personas y establece determinadas horas para entrar al trabajo El comportamiento colectivo entre los seres humanos es tan complejo que existe incluso una rama dedicada a su estudio: la sociología.

En la física tenemos muchos ejemplos de comportamiento colectivo. Los más fáciles de identificar probablemente sean las transiciones de fase, como las que sufre el agua, al enfriarse y convertirse el hielo o cuando elevamos su temperatura y se convierte en gas. En estas transiciones cambia la forma en la que se organizan las moléculas de agua reduciéndose a bajas temperaturas la energía y el desorden.  La física de la materia condensada estudia las propiedades de los sistemas que surgen de la interacción de muchos cuerpos, incluidas las diferentes fases en las que estas partículas pueden organizarse (1). Estas fases no solo se refieren a las fases sólida, líquida o gas en que se organizan los átomos y que asociamos a nuestra vida cotidiana sino también a muchas otras fases, muy especialmente fases electrónicas como el magnetismo, la superconductividad, fases con modulación de carga electrónica, etc...  Los electrones también tienen su propia sociología y es sorprendente.


Fig.1 Dos de las posibles formas en las que se organizan los átomos de carbono en los materiales. A la izquierda el diamante, a la derecha el grafito. En el diamante los átomos se organizan en una red en tres dimensiones (abajo izquierda) mientras que en el grafito forman capas (abajo derecha). La diferente configuración de la red atómica da lugar no solo a una apariencia notablemente diferente (arriba), sino también a que otras propiedades como su comportamiento frente a la corriente eléctrica también difieran. 


En el interés de la física por estudiar los fenómenos complejos que surgen de la interacción entre partículas hay un antes y un después: El artículo “More is different. Broken symmetry and the nature of the hierarchical structure of science”, (traducido Más es diferente. Simetrías rotas y la naturaleza de la estructura jerárquica de la ciencia), que escribió P.W. Anderson en 1972 y recomiendo encarecidamente leer [1]. En este artículo Anderson enfatiza cómo la capacidad para reducir todo a leyes fundamentales sencillas no implica la capacidad de reconstruir el universo a partir de esas leyes, sino que a cada nivel de complejidad surgen nuevas propiedades. Con la alusión a las simetrías rotas se refiere a que es frecuente que a bajas temperaturas encontremos fases con un cierto orden cuya simetría es más reducida que la que tiene el sistema. Decimos entonces que se ha roto tal simetría. Por ejemplo, si partimos de una zona del espacio en el que cada punto es equivalente y tenemos un gas, ej. agua en fase gaseosa, las moléculas que forman ese gas ocuparán con la misma probabilidad cualquier punto del espacio. Por el contrario, a bajas temperaturas, en el hielo, las moléculas de agua ocupan determinadas posiciones. Los puntos del espacio han dejado de ser equivalentes. Decimos que se ha roto la simetría de translación. Esta simetría de translación se rompe en todos los sólidos. En particular en los sólidos cristalinos las posiciones del espacio que ocupan los átomos siguen una determinada periodicidad formando una red de átomos: la red cristalina. 

Que los átomos se organicen en sólidos es consecuencia de las interacciones entre ellos y si estudiáramos cada átomo de forma individual no podríamos explicar la existencia de los materiales ni sus propiedades. Existen muchas formas posibles en las que los átomos pueden organizarse en la red, de ahí la gran riqueza de materiales que tenemos y de sus propiedades. Un ejemplo lo encontramos en los átomos de carbono que pueden organizarse de muchas formas dando lugar a materiales con propiedades tan diferentes como son el diamante y el grafito con el que se hacen las minas de los lápices. Algunas de estas propiedades podemos explicarlas razonablemente bien con conceptos de física clásica o descripciones semiclásicas. Otras no.

Volviendo a las imágenes que nos aparecen en el navegador al escribir física cuántica hay una que se repite y sí se refiere a algo concreto. La del átomo: electrones que orbitan en torno al núcleo de protones y neutrones. Nos vienen en mente estas imágenes del átomo porque en la mayoría de los casos es el primer, y a veces el único, contacto consciente que tenemos con la física cuántica. En el instituto estudiamos el átomo de Bohr y en particular que los electrones que orbitan en torno al núcleo no pueden tener cualquier energía, sino que sus energías están cuantizadas. Aprendemos también que los electrones tienen una propiedad cuántica llamada espín, una especie de momento magnético intrínseco que solemos dibujar como una flechita que apunta en cualquier dirección, y que en el caso del electrón puede tomar solo dos valores, en adelante up y down. Esos estados electrónicos los llenamos siguiendo el principio de exclusión de Pauli que nos dice que no podemos poner más de un electrón en cada estado disponible, así que los electrones se van colocando en los estados empezando por los de menor energía.

De la misma forma que en el átomo, en un sólido los electrones no van a poder tener cualquier energía. La diferencia es que las energías de los estados electrónicos no van a depender únicamente de la interacción dentro de un solo átomo, sino que van a sentir también la presencia de los otros átomos. En particular las energías de los electrones van a reflejar la periodicidad de la red atómica del cristal. Esta periodicidad de la red hace que los niveles de energía se agrupen en bandas: las bandas electrónicas. Las bandas electrónicas son inherentemente cuánticas y al igual que ocurre en el átomo los electrones van llenando estas bandas empezando por los estados de menor energía y siguiendo el principio de exclusión de Pauli: no puede haber dos electrones en el mismo nivel de energía.

Las bandas son el punto de partida para describir las propiedades electrónicas de los materiales. Tienen la información del tipo de átomos que forman el material, pero también de cómo se organizan en la red cristalina. Por ejemplo, las bandas del diamante y el grafito son diferentes entre sí, aunque ambos materiales estén formados por átomos de carbono. Actualmente se dispone de técnicas muy buenas para calcular las bandas electrónicas de cada material. Y la gran mayoría de las predicciones que se realizan a partir de ellas funcionan muy bien cuando las comparamos con el experimento. Solamente a partir de las bandas y conociendo la composición del material podemos saber si un material va a ser metálico o aislante.  Hablamos de materiales conductores o aislantes en función de su comportamiento frente a la corriente eléctrica. Los metales, que son materiales conductores, dejan pasar la electricidad, pero presentan cierta resistencia que provoca pérdidas de energía y aumenta al subir la temperatura. Los aislantes no dejan pasar la corriente eléctrica porque esto cuesta energía. Únicamente a temperatura finita logra pasar algo de corriente. En el ejemplo del diamante y el grafito sus bandas diferentes explican que el diamante sea aislante y el grafito conductor. También que uno sea transparente y brillante y el otro negro.

En realidad, parece casi sorprendente que las predicciones de la teoría de bandas tal y como las he contado funcionen tan bien. Hasta ahora hemos hablado de las bandas de energía y de los niveles como si simplemente los llenásemos y los electrones que hay no interaccionaran entre ellos. Sin embargo, sabemos que los electrones son partículas que tienen carga eléctrica y por tanto se repelen. Y esta repulsión debe incluirse en la descripción y tener efectos. En realidad, las bandas electrónicas incluyen en cierta forma la repulsión entre electrones en los valores de las energías que van a tener los electrones. Pero además de que haya un cierto efecto de la interacción en las energías sería esperable que los electrones tengan comportamientos colectivos, sus “atascos a las ocho de la mañana” o que se produzca algún tipo de fase electrónica ordenada como vimos que hacían los átomos y moléculas. Y de hecho así ocurre en muchos materiales. En particular esperamos que esto ocurra en aquellos materiales en los que la energía de interacción de los electrones sea comparable o mayor que su energía cinética estando esta última condicionada por cómo son las bandas de mayor energía que estén a medio ocupar.

La fase electrónica más cercana en nuestra vida cotidiana es el ferromagnetismo. La interacción entre los electrones hace que, por debajo de una temperatura crítica, llamada temperatura de Curie, haya más electrones con espín up que con espín down (o viceversa). Aunque el protagonismo de los espines en esta fase nos pueda parecer algo un tanto abstracto este fenómeno se produce en cualquier imán, como los que ponemos en la nevera o tenemos en una brújula. Al tener más espines de un tipo el material tiene un momento magnético permanente que en las brújulas se alinea con el campo magnético de la Tierra. El ferromagnetismo es una de las posibles fases magnéticas. Otra fase magnética diferente es la fase antiferromagnética, caracterizada por alternancia de electrones con espín up y down. En las fases magnéticas se rompe la simetría de rotación del spin, aunque puede romperse alguna simetría más. Por ejemplo, en la fase antiferromagnética cambia la periodicidad espacial. Son muchos los materiales que muestran fases magnéticas, algunos son elementos químicos como el hierro que es ferromagnético incluso a temperatura ambiente o el cromo que se vuelve antiferromagnético a baja temperatura. Otros involucran varios elementos químicos y en particular es habitual encontrar magnetismo en muchos óxidos.


Fig.2 Dibujo esquemático de diferentes fases electrónicas en una red atómica en dos dimensiones con simetría cuadrada. A la izquierda fase antiferromagnética en la que se alternan los espines de los electrones. Las figuras central y derecha representan fases con modulación de carga en la que el tamaño del círculo indica la acumulación de carga electrónica. En la figura central la periodicidad de la modulación de carga es conmensurada a la de la red atómica, mientras que en la figura de la red de la derecha son redes con simetrías diferentes, la red atómica es cuadrada y la electrónica triangular. La red triangular es la que permite a los electrones estar más lejos unos de otros y la que forman en un cristal de Wigner en dos dimensiones.


Las propiedades de los materiales que se encuentran en una fase magnética pueden ser especialmente sensibles a estímulos externos tales como un campo magnético. Por ejemplo, la resistencia al paso de la corriente eléctrica puede variar en función de si aplicamos un campo magnético o no. Si varía decimos que el material tiene magneto-resistencia. En algunos materiales o combinaciones de materiales, llamadas heteroestructuras, que incluyen materiales magnéticos esta magneto-resistencia puede ser especialmente grande. Hablamos entonces de magneto-resistencia gigante, como la de algunas heteroestructuras, o incluso magneto-resistencia colosal, como en las manganitas, un óxido de manganeso. Tener propiedades muy sensibles al cambio de algunos parámetros, especialmente si estos los podemos modificar a voluntad, suele ser útil a la hora de lograr aplicaciones. La espintrónica es un área de investigación que busca controlar el grado de libertad del espín para desarrollar dispositivos nuevas funcionalidades y menor disipación tales como memorias o discos duros. Los materiales magnéticos son claves en estas nuevas tecnologías. Un ejemplo de cómo los efectos cuánticos en materiales no son solo muy interesantes, sino que pueden tener un gran impacto en nuestra sociedad.

Otro tipo de fase electrónica son las fases con modulación de carga en la que la carga electrónica adquiere una periodicidad diferente a la de la red atómica. Esta nueva periodicidad puede ser proporcional a la de la red subyacente, ej. se alternan átomos con más o menos carga, o puede tener una simetría completamente diferente en la que por ejemplo los electrones formen la red que les permita estar lo más lejos posible. Esta última situación se da en los llamados cristales de Wigner que puede aparecer cuando la densidad de electrones es pequeña.

De todas las fases electrónicas la que más pasiones genera es la superconductividad (2). Los materiales superconductores conducen la electricidad sin presentar resistencia a su paso. Esto es diferente de lo que ocurre en los materiales conductores, como el cobre, que aunque permiten el paso de la corriente eléctrica sí presentan resistencia haciendo que se pierda energía en forma de calor. Aunque la resistencia disminuye al bajar la temperatura en un metal la resistencia sigue siendo finita incluso a temperatura cero. Lo que se observó hace ya más de un siglo es que al enfriar algunos materiales la resistencia eléctrica se anulaba de forma abrupta a una temperatura crítica que dependía del material. A esa temperatura ocurre una transición de fase entre un metal y un superconductor. Los materiales superconductores lo son únicamente por debajo de esa temperatura crítica. Posteriormente se vio que además de presentar resistencia cero los superconductores tenían otra propiedad que les caracterizaba: la expulsión de los campos magnéticos. Este efecto está detrás de uno de los fenómenos más sorprendentes de la física: la levitación superconductora, que logra que un imán se quede levitando encima de un superconductor o viceversa. Os invito a que veáis los vídeos (3) y os sorprendáis.


Fig. 3 Imán levitando sobre un superconductor. El superconductor utilizado es un óxido de cobre. Se ha enfriado utilizando nitrógeno líquido.


Aunque nos suene desconocida la superconductividad es una propiedad que tienen muchísimos materiales, miles de ellos. Algunos tan comunes como el aluminio o el plomo. Lo que ocurre es que la temperatura a la que se produce la transición de fase es muy baja.  No hay muchos materiales que superconduzcan por encima de -240 ºC que es una temperatura bajísima comparada con las que experimentamos en nuestro día a día, por eso no nos resulta tan familiar como ocurría con el ferromagnetismo de los imanes.  Por ejemplo, en el aluminio la temperatura crítica superconductora es de -272 ºC y en el plomo de -266 ºC.  ¿Estás imaginando ya cómo levitaría tu cafetera de aluminio si fueras capaz de enfriarla lo suficiente?

En 1986 se descubrió superconductividad de alta temperatura en los cupratos, que son óxidos de cobre (4). ¡Vaya! otra vez vuelven a salir los óxidos y esta familia en particular es realmente fascinante. Decimos superconductividad de alta temperatura, aunque las máximas temperaturas críticas que se han alcanzado a presión ambiente son ~ -135 ºC. En 2008 apareció la segunda familia de superconductores de alta temperatura crítica los superconductores de hierro, si bien en este caso las máximas temperaturas que se han logrado son ~-200ºC (tal vez algo superiores, hay discusión en un compuesto) (5). Y como la ciencia sigue avanzando muy rápido a partir de 2015 se empezaron a batir nuevos records lográndose temperaturas críticas por encima de -70ºC en compuestos ricos en hidrógeno: los hidruros (6). La máxima temperatura crítica que se ha alcanzado en un hidruro es de aproximadamente 15ºC ¡temperatura ambiente!, aunque hay cierta discusión en las medidas de este superconductor descubierto en octubre de 2020 y cuya composición, que incluye azufre y carbono, no se conoce de forma exacta [3]. En los hidruros la superconductividad aparece únicamente bajo presiones muy extremas ~150-200 GPa porque los materiales que superconducen no son estables a presiones menores. Aunque las presiones sean tan altas y no podamos utilizar estos materiales en aplicaciones, desde el punto de vista fundamental ha sido muy importante demostrar que existe superconductividad a estas temperaturas.

Tener superconductividad a temperatura ambiente o no demasiado baja siempre se ha considerado todo un sueño científico y tecnológico por las múltiples aplicaciones que tiene la superconductividad. Entre ellas cables superconductores en los que no se pierde energía y que constituyen verdaderas autopistas para la corriente eléctrica o potentes imanes que pueden utilizarse para hacer motores y generadores más pequeños y ligeros o en trenes que levitan. El CERN, la gran infraestructura en la que se estudian las partículas elementales, está llena de gigantescos imanes superconductores y su existencia sería inviable si no existiera la superconductividad. A un nivel más cercano a nuestro día a día existen imanes superconductores en las máquinas de resonancia de los hospitales. Los superconductores también son los detectores más sensibles de campos magnéticos y permiten medir las señales del cerebro a través de magnetoencefalogramas. Y gran parte de las implementaciones que se están estudiando para el futuro ordenador cuántico están basadas en superconductores. De momento tenemos que enfriar bastante los superconductores para utilizarles, pero ello no impide su uso.

Si bien la superconductividad se descubrió en 1911 no fue hasta 1957 que se tuvo una teoría de la superconductividad a nivel microscópico. La teoría BCS (por Bardeen, Cooper y Schrieffer) explicó que el estado superconductor se caracteriza por la formación de pares de electrones, llamados pares de Cooper, y que todos estos pares se comportan de forma coherente dando lugar un estado colectivo. Es habitual hacer la analogía entre la superconductividad y parejas bailando siguiendo una coreografía perfecta. Nos aparece de nuevo la idea de fenómeno cooperativo que no podríamos explicar si nos fijamos en un solo electrón, sino que necesitamos muchos de ellos. En el caso de la superconductividad resulta paradójico que se formen pares de electrones teniendo en cuenta que los electrones se repelen y formar pares lo asociamos a atracción. Necesitamos un pegamento para los electrones, también llamado mecanismo de la superconductividad. La teoría de BCS propuso un mecanismo para que esto ocurriera: la superconductividad mediada por las vibraciones de red, llamadas fonones cuando las cuantizamos. La idea es la siguiente: cuando un electrón se mueve, atrae a los iones de la red cristalina, esto genera una región de carga positiva. Como los iones son más pesados que los electrones también son más lentos y tardan en volver a su posición inicial, aunque el electrón inicial se haya ido, y esta región de carga positiva atrae a otro electrón. De esta forma el electrón inicial y el que se acerca después sienten una atracción efectiva que da lugar a la formación de pares de electrones. Este mecanismo de la superconductividad es capaz de explicar la superconductividad de muchos materiales incluidos los hidruros de alta temperatura, pero no puede explicar la superconductividad de muchos otros compuestos entre los que se encuentran los óxidos de cobre o los superconductores de hierro. Hablamos de superconductores convencionales y no convencionales. Volveremos a esto más adelante.

La superconductividad es un fenómeno puramente cuántico. Además de muchas partículas y un mecanismo que medie la formación de pares, para que pueda producirse el estado superconductor BCS es clave que el espín de las partículas, en nuestro caso los electrones, sea semientero. Es decir que las partículas sean fermiones. Los electrones cuyo espín es ½ lo son. En el estado superconductor también se rompe una simetría, llamada simetría gauge y un apunte, el concepto del llamado bosón de Higgs que escuchamos frecuentemente al hablar de las partículas elementales que forman el universo surgió dentro del estudio de la superconductividad antes de ser propuesto como partícula elemental (7). Fue el mismo Anderson del “More is different” quien lo introdujo.

Aunque menos conocida que la superconductividad otra fase electrónica que no deja indiferente son los aislantes de Mott. En cierto modo es una fase antagónica a la superconductividad. En los aislantes de Mott la repulsión entre los electrones es tan fuerte cuando están en el mismo sitio que logran que un material que esperábamos que fuese metálico se convierta en aislante. Los electrones se localizan. Y esto ocurre sin que sea necesario que se rompa ninguna simetría, aunque en muchas ocasiones se acabe rompiendo. Los aislantes de Mott son tal vez el fallo más dramático de la teoría de bandas que introducía más arriba tal y como solemos entenderlas. Este comportamiento aislante se produce solo a unas densidades electrónicas concretas que son muy características y que ayudan a identificarlo, aunque si hay ruptura de alguna simetría, como por ejemplo algún tipo de magnetismo no siempre es fácil hacerlo. A estas alturas del artículo probablemente ya no nos sorprenda leer que muchos óxidos metálicos son aislantes de Mott.

De hecho, los materiales en los que más famosa se ha hecho la física de Mott son los cupratos, los óxidos de cobre superconductores de alta temperatura crítica de los que hablábamos más arriba. Resulta especialmente sorprendente que aparezca superconductividad de alta temperatura crítica, una propiedad que involucra la formación de pares de electrones, en un sistema en el que la repulsión entre electrones es tan fuerte como para hacer que un material que esperábamos que fuera metal se vuelva aislante [4]. En los cupratos pasar de un aislante de Mott a un superconductor implica únicamente sustituir una proporción muy pequeña de los átomos, con el consiguiente cambio en la densidad electrónica, que es de hecho el parámetro clave. En los cupratos además de superconductividad y aislantes de Mott, hay antiferromagnetismo, tendencia a la modulación de carga y muchos comportamientos anómalos, como que la resistividad aumente más lentamente con la temperatura de lo esperado o que no sature a altas temperaturas. Estos comportamientos, aunque nos puedan parecer menos llamativos son muy anómalos hasta el punto de que científicamente se conocen como metales extraños. Algunos de estos comportamientos pueden estar producidos por la existencia de una transición de fase a temperatura cero (refiriéndonos al cero absoluto de temperatura en kelvin). Cuando una transición ocurre a temperatura cero decimos que es una transición de fase cuántica. Desde que se descubriera superconductividad de alta temperatura en estos compuestos en 1986 la comunidad científica ha hecho un gran esfuerzo para entenderles, pero no hay una descripción aceptada capaz de explicar todas las propiedades que presentan incluyendo la superconductividad. Se cree no obstante que la propia repulsión entre los electrones, y muy especialmente las tendencias magnéticas, está detrás de la aparición de la superconductividad. Cómo influyen el resto de comportamientos anómalos, o la cercanía del aislante de Mott en la superconductividad, 35 años después de su descubrimiento aún no lo sabemos.

Los cupratos son el paradigma de los materiales con fuertes correlaciones electrónicas, pero no son los únicos materiales que presentan multitud de fases electrónicas y comportamientos no convencionales. Otros compuestos como los superconductores de hierro, los superconductores orgánicos, materiales que contienen átomos de tierras raras (como cerio o neodimio) u otros óxidos comparten con los cupratos algunos de sus anómalos comportamientos. Para agrupar todos los comportamientos anómalos que surgían de la repulsión electrónica en un concepto, hace unos años se acuñó el término materiales cuánticos [5]. Este término inicialmente se refería únicamente a los materiales con fuertes correlaciones electrónicas, pero más recientemente se ha generalizado para incluir a materiales en los que la topología de la función de onda del electrón juega un papel importante en las propiedades electrónicas, a los materiales de grosor atómico, llamados materiales 2D, y a otros materiales en los que la interrelación entre diferentes grados de libertad de carga, de espín, orbitales o de la red dan lugar a comportamientos complejos. En general son materiales con una gran riqueza de fenómenos y un enorme potencial para transformar nuestras vidas mediante aplicaciones tecnológicas. Materiales con muchas propiedades que surgen de la naturaleza cuántica de los electrones y de su sociología, de cómo interactúan. Propiedades que en muchos casos aún no entendemos y que constantemente nos sorprenden.

En el texto he enfatizado los óxidos metálicos porque son materiales con una riqueza de propiedades increíble y porque nos pueden resultar más cercanos. Tal vez la próxima vez que oigas la palabra física cuántica no tengas que recurrir a una imagen exotérica y pienses en un óxido, o al menos en un material. No obstante, quiero terminar el artículo mencionando una nueva familia de materiales cuánticos que está generando mucha excitación en los últimos años y en la que las correlaciones entre electrones más que sociología están montando una verdadera orgía: las multicapas de grafeno y las heteroestructuras moiré.


Fig.4 Bicapas de grafeno rotado en las que se aprecia el patrón de moiré que se forma. 


El grafeno es un material bidimensional formado por una única capa de átomos de carbono organizados en una red hexagonal (8). Una capa como las que, una vez apiladas, forman el grafito (Fig.1). En 2004 se aisló por primera vez el grafeno. Desde entonces, además de estudiar sus propiedades se han creado multicapas con diferentes apilamientos. Las bicapas de grafeno rotadas constan de dos capas de grafeno rotadas entre sí un ángulo dado. La falta de alineamiento de los átomos en las dos capas crea una superestructura en la red conocida como moiré. Se había predicho que si este ángulo de rotación era en torno a 1º la energía cinética de los electrones sería muy pequeña por lo que las interacciones entre los electrones podrían jugar un papel muy importante y dar lugar a diferentes fases electrónicas. En 2018 en este sistema se observaron superconductividad y estados aislantes debidos a la correlación, recordándonos a lo que ocurre los cupratos [6,7]. Desde entonces la fenomenología observada en este sistema y otros relacionados ha sorprendido enormemente a toda la comunidad científica (9). Fases superconductoras, aislantes, magnéticas, con modulación de carga, topológicas y de otros tipos se alternan en un único sistema tan solo aplicando potenciales eléctricos y campos magnéticos [8]. Fenomenologías similares aparecen en otras heterostructuras relacionadas pero diferentes, fundamentalmente con patrones de moiré como las tricapas de grafeno rotado, con tres capas en vez de dos, o las bicapas rotadas de otros materiales, pero también en multicapas sin rotar ni moiré [9]. Sabemos que las interacciones juegan un papel clave en estas propiedades, pero todavía estamos intentando entender la naturaleza de sus fases electrónicas y de la superconductividad que presentan. La investigación avanza muy deprisa. Según finalizo de escribir este capítulo aparecen dos artículos en la web en los que se anuncia que en las cuatri-capas y penta-capas de grafeno rotado también hay superconductividad [10]. No sabemos aún por qué superconducen pero lo que es seguro es que esta historia continúa y vendrá cargada de novedades interesantes.

 

Referencias (en su mayoría nivel avanzado):

[1] P.W. Anderson, Science 177, 393 (1972)

[2] Review sobre espintrónica. Hirorata et al, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 509, 166711 (2020)

[3] Snider et al, Nature 586, 373 (2020)

[4] Review sobre la física de los cupratos. B. Keimer, S.A. Kivelson, M.R. Norman, S. Uchida, J. Zaanen, Nature 518, 179 (2015)

[5] Review sobre materiales cuánticos. B. Keimer and J.E. Moore, Nature Physics 13, 1045 (2017).

[6] Cao et al, Nature 556, 43 (2018). Nature 556, 80 (2018).

[7] Review sobre grafeno ángulo mágico. E.Y. Andrei, et al, Nature Review Materials 6, 201 (2021).

[8] Xie et al, Nature 600, 439 (2021)

[9] Zhou et al, Nature 598, 429 (2021), ibid 598, 434 (2021)

[10] Zhang et al, arXiv: 2112.09270, Min Park et al, arXiv: 2112.10760

 

Bibliografía divulgativa:

(1) So close and such a stranger. Un documental sobre la física de la materia condensada.

https://www.youtube.com/watch?v=gUMVY-wFi-M

(2) Superconductividad (ICMM-CSIC). Web de divulgación de la superconductividad.

https://wp.icmm.csic.es/superconductividad/

(3) Taller de superconductividad ICMM-CSIC:

https://www.youtube.com/watch?v=XN_UOoACLq0&t=1s

y Levitación magnético superconductora:  https://www.youtube.com/watch?v=D3rz3mVqQtQ

(4) Perovskite type oxides. The new approach to high-Tc superconductivity. Nobel Lecture  awarded to Berdnorz and Muller in 1987:

https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/bednorz-muller-lecture.pdf

(5) La edad del hierro de la superconductividad:

https://gefes-rsef.org/la-edad-de-hierro-de-la-superconductividad/

(6) Superconductividad a temperaturas record en hidruros metálicos:

https://gefes-rsef.org/superconductividad-a-temperaturas-record-en-hidruros-metalicos/

(7) Higgs, Anderson and all that .P.W. Anderson, Nature Physics 11, 93 (2015)

(8) Graphene, the perfect atomic lattice. Premio Nobel 2010. Información para el público:

https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/popular-physicsprize2010.pdf

(9) Este español ha revolucionado los materiales cuánticos.

 https://www.youtube.com/watch?v=zn4B5nBAhJA


Leni Bascones.

Doctora en Física de la Materia Condensada.

Científica Titular, Instituto de Ciencias de Materiales de Madrid, ICMM-CSIC.



No hay comentarios:

Publicar un comentario