Un truc màgic de la física: torçar làmines de grafè

The New York TimesEn l’univers del material d’oficina, la mina de llapis -una barreja de grafit i argila- no sembla que tingui res d’especial, més enllà de la capacitat de traçar línies fosques. Tot i això, fa quinze anys els científics van descobrir que una sola làmina de grafit -una capa amb un gruix d’un sol àtom disposada formant una estructura amb forma de bresca- pot obrar miracles. Aquest carboni ultrafí anomenat grafè és flexible, més lleuger que el paper i, malgrat això, té una resistència 200 vegades superior a la de l’acer. A més, és un bon conductor tèrmic i elèctric. Els científics es van imaginar totes les coses extraordinàries que es podrien fabricar amb el grafè: transistors, sensors, nous materials... Després d’estudiar-ne i catalogar-ne les propietats, la comunitat científica va passar a ocupar-se d’altres problemes.

L’any passat el grafè es va tornar a popularitzar en l’àmbit de la física arran d’un descobriment fet per un equip de físics de l’Institut Tecnològic de Massachusetts (MIT). Els científics es van adonar que, si se superposaven dues làmines del material i es retorçaven lleugerament de manera que es formés un angle moderat entre si, s’obria un espai màgic on passaven fenòmens estranys. La descoberta va suposar el tret de sortida d’un nou camp conegut amb el nom en anglès de twistronics, que es podria traduir per “electrònica de torsió”. Un article publicat recentment a la revista Nature constitueix l’anàlisi més detallada d’aquest nou material batejat com a grafè bilaminar amb angle de torsió màgic. L’equip de científics internacional que el signa va fer tot un seguit d’experiments i va demostrar que, manipulant la temperatura, el camp magnètic i el nombre d’electrons que es mouen lliurement, el material passava de comportar-se com a aïllant (no permetent el pas del corrent elèctric) a comportar-se com a superconductor (transmetent el corrent sense resistència).

El grafè torna a estar de moda

L’esperança d’aquesta nova branca és que els investigadors aconsegueixin treure profit de la superconductivitat i altres propietats per dissenyar noves aplicacions electròniques destinades a ordinadors quàntics i altres usos que encara s’han d’imaginar. “En certa manera, la nostra feina fa palesa la riquesa del conjunt del sistema, atès que hi observem tots aquests efectes alhora”, comenta Dmitri K. Efetov, físic de l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) de Castelldefels i de l’Institut de Ciència i Tecnologia de Barcelona (BIST) i autor sènior de l’article. La capacitat d’estimular fàcilment el grafè perquè adopti comportaments diferents proporciona un sistema que es pot examinar de manera senzilla per entendre la física de la seva activitat superconductora. “Ell és qui millor ho ha fet”, diu sobre Efetov i els seus col·laboradors Andrea Young, professor de física de la Universitat de Califòrnia (Santa Barbara), que no ha participat en l’estudi. “En certa manera tenen el toc màgic”.

Young comenta que ell i altres investigadors encara miren de treure l’entrellat del comportament del grafè bilaminar amb angle de torsió màgic. “Podrien passar moltes coses, i que en passi una o una altra depèn de molts detalls experimentals”, explica. “Tot just comencem a entendre aquest fenomen. Tot i això, tenim l’esperança que hi hagi alguna cosa que no s’observi en cap altre sistema”.

“Fins a l’any passat el grafè havia anat passant de moda”, comenta Pablo Jarrillo-Herrero, físic de l’Institut Tecnològic de Massachusetts. De tota manera, alguns científics, com ara Allan H. MacDonald, físic teòric de la Universitat de Texas, eren del parer que els misteris del grafè encara s’havien d’acabar de descobrir. Què passaria si se sobreposessin dues capes de grafè? Si s’alineessin a la perfecció, les dues capes es comportarien com una sola làmina de grafè. Ara bé, si una de les capes presentés una lleugera torsió respecte de l’altra, el fet que les dues estructures no estiguessin del tot alineades generaria un patró de moiré repetit que s’estendria per molts àtoms. “Aquí és on em vaig començar a plantejar -comenta MacDonald- què passaria si estiguessin gairebé alineades?” Els electrons podrien saltar fàcilment d’una làmina a l’altra en els punts en què les estructures estiguessin alineades, però als llocs on no estiguessin alineades el flux resultaria més difícil. El 2011 MacDonald i Rafi Bistritzer, investigador postdoctoral, van calcular que, amb un angle reduït, l’estructura electrònica esdevindria “plana” i es generaria un embús d’electrons atapeïts com els cotxes que miren de passar per Times Square. El fet que els electrons es moguessin lentament faria més probable que interactuessin-hi hauria una “correlació forta”, en l’argot de la física-, i els físics saben per experiència que sovint els sistemes que presenten una correlació forta amaguen sorpreses. “Vam llançar unes quantes suposicions”, comenta MacDonald.

De la teoria a la pràctica

Per bé que l’article era intrigant, amb prou feines va generar interès. Molts científics van pensar que els seus resultats no eren sinó un artefacte de les seves aproximacions i difícilment una descripció del que s’observaria en realitat. Philip Kim, un físic de Harvard que va dur a terme molts dels primers experiments amb grafè -tant Efetov com Jarillo-Herrero han treballat al seu laboratori-, creia que els detalls que s’havien passat per alt en els càlculs serien importants. “Era escèptic”, confessa. Malgrat tot, Jarillo-Herrero va decidir posar a prova la predicció. “La motivació teòrica era prou bona per comprovar què passaria”, explica.

L’any passat, Jarrillo-Herrero i els seus col·legues van anunciar un descobriment d’allò més sorprenent. Les dues capes de grafè, ara conegudes com a grafè bilaminar amb angle de torsió màgic, van esdevenir superconductores al refrigerar-les fins a una fracció de grau per damunt del zero absolut (una predicció que MacDonald i Bistritzer no havien fet). “Quan en vam veure la superconductivitat hi va haver un bon rebombori -diu Jarillo-Herrero-. Llavors ens vam adonar que era una cosa molt grossa”.

Malgrat tota la recerca anterior amb grafè, els científics mai el van poder convertir en superconductor. Comprovar que se’n podia transformar el comportament simplement sobreposant-hi una altra capa i torçant-la lleugerament va ser una revelació. És com si el color de dos fulls de paper canviés de cop i volta si se’n torcés un. Altres físics experimentals es van tornar a capbussar en la recerca amb grafè. “Em vaig equivocar del tot -reconeix Kim-. La teoria de MacDonald era correcta”.

Al nou article publicat a Nature, Efetov i el seu equip confirmen les observacions de Jarillo-Herrero. A més, han descobert que el grafè també pot presentar un tipus inusual de magnetisme que resulta del moviment dels seus electrons i no és intrínsec als seus àtoms, diferent del que presenten el ferro i altres materials. És un comportament que poques vegades s’ha observat.

Una qüestió de neteja

Efetov afirma que la seva millora de la recepta de combinar les dues capes de grafè va consistir en tòrcer la segona capa mentre s’hi exerceix una pressió descendent semblant a la que s’aplica al protector de pantalla d’un mòbil per evitar que es formin bombolles d’aire quan es posa. D’altra banda, afegeix que el fet que el límit entre les dues capes sigui més net també ha ajudat a obtenir resultats més detallats. “Nosaltres reproduïm el que van veure a l’Institut Tecnològic de Massachusetts -explica-. Però, a més, observem molts altres estats que, amb tota probabilitat, en el seu cas no van veure per la brutícia dels dispositius”.

El nou camp de l’electrònica de torsió o twistronics va més enllà del grafè. El comportament electrònic del grafè pot dependre del material sobre el qual es col·loca, normalment nitrur de bor. Amb materials o configuracions diferents es podrien obtenir resultats diferents. Els científics estan començant a examinar les propietats de les combinacions de tres capes de grafè i d’una multitud d’altres materials bidimensionals. “Em sembla que això només és el principi”, vaticina Kim, de Harvard. En vista de l’enorme varietat de materials amb què es pot treballar, Kim creu que els científics podran concebre nous superconductors idonis per als ordinadors quàntics: “Em fa l’efecte que pot ser molt emocionant”.

Copyright The New York Times

Traducció d’Ignasi Vancells