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¿Superconductividad en grafeno de una sola capa? Los investigadores de IMDEA Nanociencia sugieren que es posible

06.02.2025

graphene

La estructura cristalina ideal del grafeno es una red hexagonal. Imagen: AlexanderAlUS (CC-BY-SA 3.0).

  • Un modelo teórico desarrollado en IMDEA Nanociencia ahora se aplica a monocapas de grafeno.
  • El modelo, basado en interacciones electrónicas, se aplica para predecir superconductividad en una sola capa de grafeno.
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Madrid, 6 febrero, 2025. Desde que se aisló el grafeno por primera vez en 2004, los investigadores no han dejado de estudiar este exótico material y sus extraordinarias propiedades. El grafeno, una sola capa de átomos de carbono dispuestos de forma hexagonal, es 200 veces más fuerte que el acero, y a la vez es ligero y flexible; también es excelente conductor de la electricidad y el calor, a la vez que ópticamente transparente. Aunque su conductividad es buena, los investigadores se han preguntado si sería posible observar superconductividad, fenómeno por el cual las cargas eléctricas se moverían con nula resistencia por el material. Desde el descubrimiento de fases superconductoras en bicapas de grafeno, la comunidad científica ha renovado su interés por la búsqueda de superconductividad en otros sistemas. Sin embargo, la cuestión de si sería posible observar superconductividad en una sola capa de grafeno es todavía una incógnita que no está del todo resuelta.

En un reciente trabajo, investigadores liderados por Pierre Pantaleón y José Silva en IMDEA Nanociencia sugieren que el grafeno de una sola capa puede ser superconductor. Aunque estudios previos ya habían planteado esta posibilidad, el estudio ha empleado un enfoque teórico respaldado por simulaciones numéricas y evidencia experimental para demostrar que la superconductividad en una sola capa de grafeno es factible.

El diagrama de bandas del grafeno se caracteriza por el llamado “cono de Dirac”, un lugar donde los estados excitados (conducción) y los no excitados (de valencia) confluyen, formando una estructura característica que da lugar a fenómenos cuánticos exóticos. Lejos de esa parte del diagrama, a altas energías, confluyen una multitud de bandas planas con alta densidad de estados. Precisamente en esa zona del diagrama se predijo de forma fenomenológica la superconductividad (González 2008, Chubukov 2012), aunque por aquel entonces no se tenía la capacidad de computación necesaria para hacer un análisis completo.

En una colaboración teórico-experimental entre el IMDEA Nanociencia (España), el Instituto de Física de la UNAM (México) y el MPI Festkörperforschung (Alemania), los investigadores han usado un sistema de grafeno dopado con átomos de terbio. Este dopaje es esencial para inyectar electrones en el grafeno sin alterar su estructura electrónica. En este sistema, los átomos de terbio se depositan sobre o debajo de la monocapa de grafeno, sin sustituir los átomos de carbono en la red hexagonal. Es decir, los átomos de terbio actúan únicamente como donantes de electrones, preservando la estructura cristalina del grafeno.

El grupo de Ulrich Starke (MPIF) consiguió dopar altamente grafeno con átomos de terbio caracterizar su estructura de bandas mediante una técnica experimental, espectroscopía de fotoemisión resuelta en ángulo, ARPES (Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy). A partir de estos datos experimentales, Pierre Pantaleón y su equipo en IMDEA Nanociencia realizaron un análisis numérico, determinando que la superconductividad podría surgir teóricamente a una temperatura crítica de 600 miliKelvin (-272.55 °C). Además, encontraron que este estado es estable frente a fluctuaciones, lo que refuerza su hipótesis.

En general, para describir la superconductividad en materiales basados en grafeno, se pueden considerar dos marcos teóricos principales. El primero es la teoría convencional, que se basa en un mecanismo de acoplamiento entre electrones que ocurre gracias a los fonones (vibraciones de la red cristalina). El segundo es el marco no convencional, en el que la superconductividad surge de interacciones electrónicas sin la mediación de fonones. En los últimos años, la disponibilidad de nuevos datos experimentales ha generado un debate sobre la viabilidad del mecanismo convencional basado en fonones en sistemas de grafeno, favoreciendo en su lugar una explicación en términos de interacciones electrónicas. Uno de los primeros modelos no convencionales aplicados a multicapas de grafeno fue desarrollado en 2021 por el grupo del Prof. Francisco Guinea en IMDEA Nanociencia. Es importante destacar que los mecanismos convencionales y no convencionales son difíciles de reconciliar dentro de un mismo marco teórico, lo que sugiere que la superconductividad en grafeno debe atribuirse principalmente a uno de ellos. En este contexto, el nuevo trabajo liderado por el Dr. Pierre Pantaleón aporta evidencia adicional en favor de un mecanismo no convencional como posible origen de la superconductividad en diferentes estructuras de grafeno.

Pierre se muestra entusiasmado “Era un problema abierto desde 2010 y la curiosidad nos ha llevado a describir en detalle un nuevo fenómeno interesante que hasta la fecha no se había podido demostrar”. Saúl Herrera (UNAM), primer autor de este trabajo, concibió la idea original de analizar en detalle este sistema. Ahora, una vez predicho el fenómeno, queda pendiente su demostración empírica.

El trabajo, publicado en ACS Nano (DOI: 10.1021/acsnano.4c12532), abre la posibilidad de realizar y estudiar la superconductividad en una sola capa de grafeno, que no solo podría ampliar nuestra comprensión de los mecanismos fundamentales de la superconductividad, sino también sentar las bases para una nueva generación de tecnologías avanzadas basadas en grafeno.

Este trabajo es una colaboración entre científicos liderados por el Dr. Pierre Pantaleón y el Dr. José Silva en el Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Nanociencia (España); el Prof. Gerardo Naumis en la Universidad Nacional Autónoma de México; el Prof. Ulrich Starke en el Insituto Max Planck de Investigación en Cuerpos Sólidos (Alemania); y la Universidad de Lund, y ha sido parcialmente financiado por la acreditación Severo Ochoa a IMDEA Nanociencia (CEX2020-001039-S).


Glosario

  • Grafeno: lámina de átomos de carbono organizados en un patrón regular hexagonal, de espesor atómico.
  • Superconductividad: capacidad para conducir corriente eléctrica sin resistencia ni pérdida de energía. La resistencia de un material superconductor desciende bruscamente a cero cuando el material se enfría por debajo de su temperatura crítica.
  • Dopaje: en el campo de la electrónica, dopaje hace referencia a la técnica para variar el número de electrones en un material añadiendo átomos de otro elemento, que modificaría las propiedades eléctricas del material matriz.

Referencia:

Saúl A. Herrera, Guillermo Parra-Martínez, Philipp Rosenzweig, Bharti Matta, Craig M. Polley, Kathrin Küster, Ulrich Starke, Francisco Guinea, José Ángel Silva-Guillén, Gerardo G. Naumis, and Pierre A. Pantaleón. Topological Superconductivity in Heavily Doped Single-Layer Graphene. ACS Nano 2024 18 (51), 34842-34857. DOI: 10.1021/acsnano.4c12532

 Enlace al Repositorio Institucional de IMDEA Nanociencia: https://hdl.handle.net/20.500.12614/3844

 

Contacto:

Pierre Pantaleón
Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.

José Á. Silva Guillén
First-Principles Modelling for Quantum Materials Group
https://nanociencia.imdea.org/first-principles-modelling-for-quantum-materials/home

Oficina de Divulgación y Comunicación en IMDEA Nanociencia
divulgacion.nanociencia [at]imdea.org
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Fuente: IMDEA Nanociencia.

El Instituto IMDEA Nanociencia es un centro de investigación interdisciplinar en Madrid dedicado a la exploración de la nanociencia y el desarrollo de aplicaciones de la nanotecnología en relación con industrias innovadoras. IMDEA Nanociencia es un centro de Excelencia Severo Ochoa desde 2017, máximo reconocimiento a la excelencia investigadora a nivel nacional.