Este Español Ha Revolucionado los Materiales Cuánticos (1)
Los materiales cuánticos no son cosas precisamente exóticas. Están entre nosotros y, sin enterarnos,
dependemos de ellos a diario: toda nuestra tecnología los utiliza. Hablo de materiales
muchas veces diseñados, concebidos en la mente de un físico teórico. Hablo de materiales
comprendidos, dominados y construidos gracias a nuestro entendimiento del mundo cuántico.
Hablo de materiales tuneados para resolver problemas tecnológicos: electrónicos, ópticos,
mecánicos… No podrías estar viendo este vídeo en ninguno de tus dispositivos si no
fuera por ellos. Sin ninguna duda, los materiales cuánticos le han dado forma al mundo en los
últimos 50 años. ¡Y lo que todavía queda! De hecho, hoy vamos a hablar de una revolución
que ha sacudido este campo, que ha abierto la puerta a descubrir muchos más de estos
increíbles materiales. Y es que justo en el epicentro de este descubrimiento, tenemos
a un español.
Gente, hoy tenemos el placer de tener en QuantumFracture a Pablo Jarillo-Herrero, físico experimental
y profesor en el MIT.
PABLO: Yo hice mi doctorado en Holanda, luego hice mi postdoc en Columbia, en Nueva York…
Y luego me contrataron en el MIT. Así que lo que se dice investigación en España no
he hecho. Hice la carrera. La licenciatura en Física sí que la hice en Valencia.
Esta entrevista la grabamos en diciembre de 2019, por lo que no tuvimos oportunidad de
felicitar a Pablo, ya que recientemente ha ganado el Premio Wolf en Física. Solo hay
dos españoles que tengan este premio: él y el señor Ignacio Cirac. Mucha gente considera
el premio Wolf la condecoración más prestigiosa por debajo del premio Nobel, algo así como
los Globos de Oro son a los Oscars. Lo que quiero decir es que Pablo tiene buenas posibilidades
de ser el primer español de nuestra historia en recibir un Premio Nobel en Física. Y es
que él y sus colaboradores han descubierto un material que es toda una revelación.
CRESPO: Antes de entrar al Grafeno Rotado vamos con cosas más sencillitas: ¿qué es
un superconductor?
PABLO: Un superconductor es un material que cuando lo enfrías más allá de una cierta
temperatura conduce electricidad sin disipar energía.
Vamos con lo básico. Tenéis que entender los superconductores como lo que son: una
fase de la materia, como son los líquidos o los gases. Al igual que si enfrías lo suficiente
el agua pasará de ser fluida a ser estática, pasa de un estado líquido a un estado sólido...
Y sigue siendo agua, hay ciertas sustancias que si las enfrías una brutalidad pasan a,
digamos, un cuarto estado de la materia: el estado superconductor. Como ha dicho Pablo,
aquí las corrientes se mueven sin resistencia eléctrica, los electrones fluyen sin oposición,
sin disipación. Ahora, ¿cómo lo hacen los superconductores para no presentar resistencia
eléctrica? Es decir, al igual que entendemos las propiedades de los líquidos a través
de las fuerzas de Van der Waals y los puentes de Hidrógeno, ¿qué es lo que hace que un
superconductor se comporte como un superconductor?
CRESPO: ¿Entendemos bien cómo funcionan los superconductores?
PABLO: Depende de qué tipo de superconductor. Hay (así a grandes rasgos) dos tipos de superconductores:
unos que se llaman superconductores convencionales, que tenemos una teoría, la teoría BCS, de
Bardeen-Cooper-Schrieffer, que explica la mayoría de las propiedades de estos superconductores.
Y luego hay otra categoría de superconductores que se denominan no convencionales que no
tenemos ni idea de cómo funcionan.
CRESPO: ¿Directamente?
PABLO: Ni idea. Esta teoría no lo explica. Estamos 30 años y todavía sin entenderlos.
Podría cascarme varios vídeos de la teoría BCS, pero la idea fundamental detrás de la
superconductividad convencional es la del emparejamiento de los electrones. Y es que
cuando la temperatura es suficientemente baja y los electrones están lo bastante quietos,
empiezan a notar las vibraciones del material en el que viven. Un electrón se mueve, perturba
las cargas cercanas y eso crea una vibración que el resto de electrones siente. Añádele
montones de estas vibraciones y un poquito de física cuántica… Y algo espontáneo
emerge: los electrones empiezan a atraerse a pares en vez de repelerse. Por así decirlo
a comportarse de manera parecida dos a dos, de forma correlacionada, todo gracias a que
se están “comunicando” a través de estas vibraciones. Estos dúos son los llamados
“pares de Cooper”, y su formación a lo largo de todo el material es lo que la teoría
BCS sostiene que causa la superconductividad. Ahora, resulta que hay materiales, los superconductores
no convencionales, en los que sabemos que los pares de Cooper no pueden formarse de
esta manera. Digamos que aquí las fuerzas que repelen los electrones son tan intensas,
las interacciones son tan fuertes, que las vibraciones de la red se vuelven inapreciables.
Los electrones ya no pueden “hablarse” y emparejarse entre ellos de esa manera. Pero
los pares sí que se forman en estos materiales, medimos sus efectos, así que, ¿cómo surge
aquí la superconductividad?
Es un problema abierto de la física de la materia condensada en el que muchos investigadores
trabajan a diario. Por eso es genial que Pablo y sus colaboradores hayan encontrado un cabo
del que tirar. Pero para eso tenemos que hablar primero del material cuántico más famoso
del mundo: el grafeno. Para eso tenemos con nosotros también a Elsa Prada, física teórica
de la Universidad Autónoma de Madrid, experta en materiales topológicos y en materiales
bidimensionales como es el grafeno. Y también una cosilla más...
CRESPO: Bueno, Elsa: la mujer por la que se computar. [risas] ¡Uno nunca olvida a sus
maestros! ¿Podrías explicar superbrevemente (supongo que todo el mundo estará enterado)
qué es el grafeno?
ELSA: El grafeno es un material bidimensional; el primer material verdaderamente bidimensional
que experimentalmente se puede fabricar, se puede aislar. En este caso del grafito. El
grafito es un material tridimensional que está hecho a capas. Capas cuyos átomos en
el plano están muy fuertemente ligados con enlaces covalentes pero entre plano y plano
están débilmente ligadas con enlaces Van der Waals. Entonces, este material se puede
deshojar por distintas técnicas y de esta manera se llegó a entender que se podía
sacar solo una de estas capas. Que se pensaba que no iba a ser estable, que no iba a tener
física interesante.
CRESPO: Y esto es algo como muy histórico del grafeno ¿no? Siempre se dice que es inestable,
que es imposible, que…
PABLO: “El grafeno no debería existir”, “si existiera no debería conducir”, “si
condujera debería hacerlo...” Todo al final… Nada de lo que decían se a… [rie] Siempre
nos acaba sorprendiendo.
ELSA: Y lo que fue luego muy interesante después de que se estudió el grafeno es darse cuenta
de que podías exfoliar (porque así se dice) otros cristales bidimensionales.
Por ejemplo, también se pueden exfoliar el fosforeno o el antimoneno, o generar otros
cristales bidimensionales más complejos a través de otros métodos. Materiales como
el nitruro de boro, el disulfuro de molibdeno o el grafano (que no es el grafeno del AliExpress,
es grafeno con hidrógenos en ambos lados de la capa).
ELSA: Otra vuelta de rosca: yo puedo estudiar una capa de grafeno, puedo estudiar una capa
de disulfuro de molibdeno o de nitruro de boro. Pero ahora lo que puedo hacer es estudiarlas
juntas. Si pongo una encima de la otra nueva física aparece y puedo hacer como sandwiches.
Así se dice, se dice que podemos hacer un “juego de lego”. Y luego ya la siguiente
vuelta de rosca, que ha sido la de Pablo Jarillo, es que no solo puedo colocar estas capas unas
encima de las otras sino que además las puedo rotar. Y resulta que cuando las roto… De
nuevo nueva física.
Es aquí donde entra el grafeno rotado. Lo primero que tenéis que entender es que los
electrones dentro de un material cristalino están completamente sometidos a la red de
átomos en la que viven: dependiendo de la forma que tenga, los tipos de átomos que
haya etc., los electrones van a comportarse de una forma u otra. Esto es debido a la reglas
cuánticas: los electrones aquí tienen comportamiento ondulatorio y su función de onda se adapta
a la periodicidad que tiene el cristal, a la forma y repeticiones que tiene el material.
Esto es lo que provoca que distintos materiales conduzcan de manera distinta o reflejen o
absorban la luz de manera distinta. Así que, si uno quiere predecir cómo se va a comportar
un material, tiene que ir al origen: cómo es el cristal; cómo es ese elemento que siempre
se repite para formarlo, el molde del mosaico. Esta es la llamada Celda Unidad.
Los físicos teóricos se pirran por encontrar Celdas Unidad nuevas que puedan dar lugar
a nuevos materiales. Con la rotación de dos capas han encontrado directamente una forma
de crear nuevas celdas unidad. La idea es esta: si tu tienes dos redes, las colocas
una encima de la otra, y las rotas aunque sea un poquito, notarás que “por encima”
se ha formado un patrón nuevo. Hay algo que se repite, pero su repetición es diferente
a la de las redes de las que hemos partido. Esta especie de “ilusión óptica” es
lo que se llama un patrón de moiré. Sin embargo, de ilusión no tiene nada. Si coges
dos láminas de grafeno, las solapas y las rotas, lo que está ocurriendo es que estás
generando una Celda Unidad nueva; una mucho más grande... Lo que significa que estamos
delante de un material nuevo. Pablo y sus colaboradores fueron las primeras personas
en el mundo en rotar una capa de grafeno respecto a la otra en un ángulo muy concreto: 1.1º,
este es el Grafeno rotado con un ángulo mágico.
PABLO: Nunca se había podido hacer esto en la historia física de materiales, esto de
rotar dos materiales. Cuando algo es nuevo y nunca se ha podido hacer, si exploras siempre
te vas a encontrar sorpresas.
ELSA: De hecho en el caso este del grafeno rotado y las interacciones electrónicas de
este sistema. ¿Como fue? ¿te lo esperabas?
PABLO: La superconductividad no nos la esperábamos. No se la esperaba nadie. Pero sí que estábamos
persiguiendo esto porque había un teórico que había dicho: “esto tiene pinta de que
puede haber algo interesante”.
Os lo pongo de esta manera: imaginaos que una raza extraterrestre de repente se encontraran
con un material muy extraño y desconocido para ellos llamado “agua”. Lo normal es
que los científicos alien empezaran a experimentar con el agua para ver cómo funciona, en qué
formas y estados puede existir. Le harían todo tipo de perrerías: no solo cosas como
enfriarla o calentarla hasta temperatura extremas o espachurrarla con presiones muy intensas,
también lo combinarían todo. Analizarían el agua a bajísima temperatura y a alta presión,
a alta temperatura pero baja presión, a baja temperatura y a baja presión… y, por supuesto,
todas las posibilidades intermedias. Tendrían un mapa de cuando el agua es sólida, es líquida
y es gaseosa. Bien, pues cuando fue creado el extraño y
desconocido grafeno rotado, Pablo hizo exactamente lo mismo: por un lado analizó qué le pasaba
al grafeno rotado a temperaturas bajas y por otro como reaccionaba cuando le quitaba electrones,
lo que se llama dopar con huecos. Al probar todas las combinaciones posibles y ver cómo
se comportaba el grafeno rotado, se toparon con dos estados que no esperaban: en un cierto
régimen difícilmente conducía la electricidad (era un aislante) pero a menores temperaturas
ocurría lo opuesto: la resistencia eléctrica era nula. El grafeno rotado con un ángulo
mágico tenía una fase superconductora. Una fase superconductora no convencional.
ELSA: ¿Qué teórico había predicho esto? ¿En quién te inspiraste?
PABLO: El artículo que nosotros conocíamos era el de Allan MacDonald, luego resulta que
había un artículo anterior de unos chilenos, que la gente no los cita mucho, pero… Fue
un grupo de Chile, Suárez Morell, Enrique Suárez Morell que lo había predicho antes
que Allan. Íbamos buscando estados aislantes correlacionados, eso sí. Pero los que encontramos
