Una ilustración que representa el grafeno de material ultra delgado
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¿Por qué las láminas frías delgadas de carbono no ofrecen resistencia a las corrientes eléctricas? Dos experimentos nos están acercando a una respuesta, y tal vez incluso a superconductores prácticos de temperatura ambiente.
Kin Chung Fong en la Northeastern University en Massachusetts se sorprendió cuando otro físico, Abhishek banerjee En la Universidad de Harvard, le dijo un número durante la cena. Estaban estudiando diferentes aspectos del grafeno, láminas de carbono de un átomo de espesor, pero ambos hicieron la misma estimación sobre lo difícil que debería ser para una corriente eléctrica que fluye a través del grafeno para cambiar repentinamente.
Experimentos pasados han demostrado que pilas muy frías de dos o tres capas de grafeno poder superconduccióno conduce perfectamente la electricidad sin resistencia y pérdida de energía, si algunas de las sábanas se giran por un ángulo especial. Pero por qué sucede esto seguía siendo misterioso. Los dos físicos pensaron que la propiedad que estimaron en la cena, llamada inductancia cinética, podría iluminar la respuesta.
“La sensación era como cuando estás en un senderismo de madera [through] El bosque, y de repente encuentras, bueno, espera un minuto, no soy la única persona en este bosque profundo «, dice Fong.
Junto con otros colegas, convirtieron su idea en dos experimentos. Un grupo midió la inductancia cinética para dos capas de grafeno apilado y torcido; Un segundo grupo se centró en tres capas.
Joel Wang En el Instituto de Tecnología de Massachusetts, que estaba en el grupo que trabajaba en grafeno de dos capas, dice que medir la inductancia cinética había sido previamente difícil. Debido a que el grafeno multicapa solo se puede producir en piezas muy pequeñas, las técnicas estándar para medir sus corrientes superconductoras, como exponerlo a partículas o campos magnéticos, produjeron señales excesivamente débiles. En cambio, ambos equipos tuvieron que innovar una configuración donde los pequeños copos de grafeno se expusieron a microondas, mientras que los investigadores variaban lentamente propiedades como la temperatura, que deben mantenerse muy bajas para que la superconductividad ocurra en absoluto.
Sabemos que las superconductas de grafeno multicapa porque los electrones dentro de él se combinan, y estos pares fluyen en corrientes más fácilmente que las partículas individuales. Pero los electrones generalmente se repelen entre sí. Cómo se unen exactamente las partículas y qué propiedades tienen estos pares aún no se entiende.
«La teoría es [running] detrás de los experimentos aquí ”, dice Miuko Tanaka en la Universidad de Tokio, que también estaba en el grupo de dos capas.
Para dos capas de grafeno, su equipo descubrió que la corriente superconductora es mucho «más rígida», resiste el cambio más, de lo que predice cualquier teoría convencional de la superconductividad. Trazaron esta anomalía a algo llamado geometría cuántica. Específicamente, la forma de las funciones de onda de los electrones, que codifican todas sus propiedades y posibles comportamientos, parecía impulsar este tipo exótico de superconductividad.
En el grafeno de trilayer, los investigadores encontraron similitudes sorprendentes entre la inductancia cinética de su muestra y el comportamiento de una familia de superconductores completamente diferentes, que mantienen sus propiedades especiales a temperaturas mucho más altas.
Debido a esto, tanto Banerjee como Tanaka dicen que estos experimentos pueden hacer más que arrojar luz sobre por qué los superconductos de grafeno, también podrían revelar propiedades clave necesarias para los superconductores de temperatura ambiente. Los físicos han estado buscando tales materiales durante décadas con la esperanza de que usarlos pueda radicalmente disminuir el consumo de energía de muchos dispositivos.
“Estamos encontrando leyes interesantes que parecen surgir en ambos sistemas de materiales. Tal vez lo que estamos descubriendo es algo más profundo ”, dice Banerjee. Ambos equipos planean realizar experimentos similares con otros superconductores muy delgados.
«Recientemente, ha habido tantos superconductores bidimensionales nuevos que son interesantes, sorprendentes y un poco inusuales», dice Zeyu Haotambién en la Universidad de Harvard, que estaba en el equipo investigando grafeno de tres capas. Por ejemplo, a principios de este mes, un equipo diferente publicó una investigación que muestra que los cristales de dos capas de un material llamado tungsteno deselenide exhibir superconductividad Cuando las capas se torcen entre sí.
Mientras tanto, el colega de Hao Mary Kreidelahora en el Laboratorio de Propulsión de Jet de la NASA en California, ya tiene una aplicación en mente para el grafeno apilado y torcido. Ella está trabajando en detectores de partículas para misiones espaciales, muchas de las cuales usan superconductores. Podrían hacerse más pequeños y más ligeros, una ventaja crucial en el vuelo espacial, si estuvieran hechos de grafeno multicapa, dice ella.