La producción de componentes electrónicos modernos requiere materiales con propiedades muy diversas. Hay aislantes, por ejemplo, que no conducen la corriente eléctrica, y superconductores que la transportan sin pérdidas.

Para obtener una determinada funcionalidad de un componente, normalmente hay que unir varios materiales de este tipo. A menudo esto no es fácil, sobre todo cuando se trata de nanoestructuras de uso generalizado en la actualidad. Un equipo de investigadores de la ETH de Zúrich ha conseguido ahora que un material se comporte alternativamente como aislante o como superconductor e incluso como ambos en distintos puntos del mismo material con sólo aplicar una tensión eléctrica.

Dicho material, como no podía ser menos, es el grafeno o más bien un “grafeno bicapa retorcido en ángulo mágico”o “magic-angle twisted bilayer graphene”. En realidad, este nombre esconde algo bastante sencillo y conocido, el carbono, aunque con una forma particular y un giro especial. El punto de partida del material son los copos de grafeno, que son capas de carbono de sólo un átomo de grosor. Los investigadores colocaron dos de esas capas una encima de la otra de forma que sus ejes cristalinos no fueran paralelos, sino que formaran un “ángulo mágico” de exactamente 1,06 grados.

Desgraciadamente no es nada sencillo conseguir este ángulo y solo se consigue en un veinte por ciento de los intentos y las redes cristalinas atómicas de los copos de grafeno crean el llamado patrón de Moiré, en el que los electrones del material se comportan de forma diferente a la del grafeno ordinario. Los patrones de Moiré son conocidos, por ejemplo, en la televisión, donde la interacción entre una prenda estampada y las líneas de barrido de la imagen televisiva puede dar lugar a interesantes efectos ópticos. Sobre los copos de grafeno de ángulo mágico, los investigadores colocan varios electrodos adicionales con los que pueden aplicar una tensión eléctrica al material. Cuando lo enfrían todo hasta unas centésimas de grado por encima del cero absoluto, ocurre algo extraordinario. Dependiendo de la tensión aplicada, los copos de grafeno se comportan de dos maneras completamente opuestas: como superconductor o como aislante. Esta superconductividad conmutable ya se demostró en 2018 en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). Todavía hoy solo unos pocos grupos en todo el mundo son capaces de producir este tipo de muestras.

Ahora los suizos además, aplicando diferentes voltajes a cada uno de los electrodos, convierten el grafeno de ángulo mágico en un aislante en un punto, pero unos cientos de nanómetros a un lado se convierte en un superconductor.

Además los investigadores del ETH consiguieron producir una unión Josephson en el interior de las escamas de grafeno retorcidas por el ángulo mágico utilizando diferentes voltajes aplicados a los tres electrodos, y también medir sus propiedades.

Entre las aplicaciones prácticas de estos dispositivos se encuentran las mediciones de campos magnéticos diminutos, pero también tecnologías modernas como los ordenadores cuánticos. Para posibles usos en ordenadores cuánticos, un aspecto interesante es que, con la ayuda de los electrodos, los copos de grafeno pueden convertirse no sólo en aislantes y superconductores, sino también en imanes o en los llamados aislantes topológicos, en los que la corriente sólo puede fluir en una dirección a lo largo del borde del material. Esto podría aprovecharse para realizar diferentes tipos de bits cuánticos (qubits) en un solo dispositivo.