Este Español Ha Revolucionado los Materiales Cuánticos (2)
no fueron los que nos esperábamos, los que íbamos buscando… Y luego ya lo de la superconductividad
fue como el buah. Que pasada.
ELSA: ¿Y por qué dirías que la superconductividad en este sistema no había sido predicha? ¿por
qué es una sorpresa? ¿qué tiene de especial respecto de...?
PABLO: Porque nadie se había atrevido. Sonaba a tan loco que nadie se había atrevido. Hay
mucha gente que a los teóricos, a posteriori, están diciendo: “si yo lo pensé pero no
me atreví a meterlo en un paper” Porque atreverte a decir que esto va a ocurrir…
La probabilidad es tan baja de que ocurra. Porque la gente casi nunca puede predecir
superconductores, normalmente.
¿Recordáis cuando hablamos de que la superconductividad no convencional se daba en materiales en el
que las interacciones entre los electrones eran muy fuertes? Pablo nos explica por qué
los físicos se olían que en el grafeno rotado podría pasar algo así:
PABLO: Los electrones en el grafeno normalmente se comportan de una manera muy inusual, se
comportan como partículas ultrarelativistas, como si fueran fotones o más bien neutrinos
(ya que son fermiones, pero con carga). Y van a una velocidad que es constante independientemente
de la energía. Para los electrones en el grafeno rotado en el ángulo mágico resulta
que esa velocidad va a cero o casi cero, muy baja. Con lo cual los electrones ahora, por
decirlo de alguna manera, van muy despacito, muy despacito.
¿Qué ocurre cuando los electrones van muy despacio? Que pueden interaccionar unos con
otros mucho. Esto es como si vas por la calle y tu vas caminando muy deprisa y no te da
ni tiempo a saludar a la gente, pero si vas muy despacio puedes saludarte, chocarte la
mano, darte un abrazo… Antes de pasar de largo. Pues esto es parecido, los electrones
van muy despacito y tienen tiempo de interaccionar. Interaccionar por la interacción de Coulomb,
tienen la misma carga y se repelen.
Esto hace que el grafeno rotado exhiba muchas de las extrañas consecuencias de que los
electrones dentro de él se repelan mucho. De hecho, ¿no os parece raro que al lado
de la fase en la que la conducción eléctrica es perfecta esté la fase en la que la conducción
es una birria? Eso es porque se sospecha que esa fase aislante es de un tipo muy especial
llamado tipo Mott. En los aislantes de tipo Mott hay la cantidad justa de electrones como
para tener a los átomos a “mitad de capacidad”, con un electrón en su última capa. Si quisieras
que por aquí circulara una corriente eléctrica, los electrones tendrían que poder saltar
de un átomo a otro, lo cual implicaría que a veces habría dos electrones en un solo
átomo. Problema: en estos materiales la repulsión entre los electrones es muy grande… y esa
doble ocupación tiene un coste energético muy grande, lo que hace que los electrones
no puedan moverse de un átomo a otro. No pueden conducir. Es esto lo que provoca que
sea un aislante, y no proviene de la forma que tenga la red o su composición, viene
de la interacción entre los propios electrones. Una interacción fuerte, al igual que con
la superconductividad no convencional. Así que ¿puede que el mismo mecanismo que genera
el aislante Mott también sea el responsable de la fase superconductora?
PABLO: Para que te hagas una idea, en muchos de estos materiales, como en los superconductores
de alta temperatura que se llaman los cupratos, los electrones están como “anclados”
en los átomos. Uno en cada átomo y no se pueden mover porque interaccionan muy fuertemente.
Ahora, quitas algunos electrones (que eso se llama doparlos) y ahora este electrón,
como aquí ya no hay otro electrón, sí que puede saltar. Cuando este salta resulta que
el otro también puede saltar. Entonces se produce un proceso de “salto, salto, salto,
salto” correlacionado que de manera un poco mágica (porque aún no se entiende exactamente,
no podemos calcular aún cómo) da lugar a un emparejamiento efectivo que haga que superconduzcan
los electrones.
PABLO: Y la cuestión esta ¿es idéntico a lo otro o se parecen en unos aspectos pero
en otros es diferente? Y todavía la verdad es que no lo sabemos.
En este grafeno rotado con ángulo mágico se da la circunstancia de que tienes un sistema
relativamente simple, al menos conceptualmente porque es grafeno y el grafeno lo entendemos
muy bien… Pues nada: grafeno más grafeno tiene que ser simple también o eso se pensaba
la gente. El átomo es carbono, es muy sencillito todo... Y sin embargo estos electrones son
capaces de interaccionar muy fuertemente. Entonces digamos que los teóricos están
diciendo: “Ostras, ahora tenemos un sistema donde podemos tener este tipo de comportamientos
que se daban en otros materiales mucho más complicados, con impurezas químicas, etc.
Pero ahora en un sistema más limpio, más sencillo… Luego aquí seguro que, si vamos
a entender las interacciones fuertes entre los electrones en algún sitio, será aquí”
O eso pensaban. Luego resulta que es más complicado de lo que se pensaba.
CRESPO: Claro, el grafeno tiene una celda unidad de dos átomos de carbono. ¿Cuántos
átomos tiene la celda unidad de este grafeno rotado?
PABLO: El grafeno rotado a 1.1 grado tiene unos 10000 átomos en la celda unidad.
CRESPO: ¿Diez mil átomos?
PABLO: Sí, de nuevo si… Cuando giro y hago esto así, véis que la distancia entre estas
pelotitas de futbol es mucho más grande, ¿no? Pues esto para un ángulo relativamente
grande, 5 grados. Esa distancia sube, sube y sube y se hace más grande conforme el ángulo
es pequeño. Para 1.1 grado la distancia entre estas tres bolas es tal que incluye unos diez
mil átomos. Esa es parte de la complejidad. Que aunque en principio esto más esto debería
ser muy sencillo, esos diez mil átomos de la celda unidad lo hacen no tan sencillo.
Es uno de los aspectos que lo hacen no tan sencillo.
CRESPO: ¿Cómo se fabrica? ¿Cómo conseguisteis hacer esta bicapa grafeno-grafeno un poquito
rotado? ¿Cuál fue la técnica?
PABLO: Pues mira, imaginate que esto fuera una única capa, ¿vale? Que fuera continuo.
El truco está en empezar con un cristal que sabes que todo el cristal en sí tiene la
misma orientación (pues es un solo cristal), ahora lo rompes, estas dos capas están alineadas
porque vienen del mismo cristal y ahora si que puedo rotar con un ángulo de 1.1 grados
y ponerla encima. Cuando a la gente se lo cuento dicen “¿qué?
¿que forma perfecto…?” Porque normalmente es difícil imaginarse, porque realmente los
átomos tienen que estar unos encima de otros para formar este patrón de moiré.
CRESPO: Supongo que cuando das entrevistas te pedirán mucho que des aplicaciones técnicas
o aplicaciones de…
PABLO: Sí, siempre me lo preguntan…
CRESPO: Cosas que aquí [en este canal] no nos importan. Pero una pregunta es hasta qué
punto hacer este material no es una cosa un poco artesanal. Estos nuevos materiales que
parecen una cosa tan fina de… ¿Hasta qué punto esto podría escalar a producción industrial?
PABLO: Pues no está claro. No lo sabemos todavía. Tal y como dices, todavía es un
proceso totalmente artesanal: un estudiante empleando tres semanas o cuatro para hacer
un dispositivo… Y es un arte: hay estudiantes que son Leonardo Da Vinci y otros que no son…
[ríe]. Lo que sí que ocurre y es cierto es que muchos otros grupos ya han reproducido
nuestros resultados, luego es algo que se puede enseñar y que otros pueden reproducir
¿no? Entonces se convierte en ciencia de verdad.
No es impensable ni inimaginable el decir “vamos a hacer este proceso a escala industrial”.
De hecho el grafeno, tal y como has dicho, una sola capa ya se puede crecer a nivel industrial,
ya te pueden vender obleas de 12 pulgadas en sustratos compatibles como los de silicio
de la industria…
CRESPO: Si es multicapa yo he visto rollos…
PABLO: Sí, hay rollos con kilómetros de grafeno… Luego no es imposible decir “Bueno,
voy a hacer una pero en vez romper así manualmente voy a cortar con un láser o con otras propiedades
y después voy a hacer de manera sistemática esto”. No es tan impensable como la gente
se piensa… Pero queda mucho trabajo por hacer.
CRESPO: Vale, sería criminal si nos quedáramos solamente en el grafeno. Porque me imagino
que con estas técnicas las habéis estado aplicando a otros materiales.
PABLO: Sí.
CRESPO: ¡Cuéntame!
PABLO: Enseguida todo el mundo se dio cuenta, entre ellos nosotros, que esto se puede hacer
con cualquier material bidimensional. Entonces los teóricos se pusieron a calcular ángulos
mágicos para todo, para todos los materiales. Ya te puedes imaginar. Hasta ahora se han
puesto 4 o 5 tipos de materiales uno encima de los otros rotados y en bastantes casos
ya se han visto indicaciones de estados correlacionados interesantes.
Por ejemplo, uno de los que nosotros hicimos: cogimos dos capas de grafeno tal y como están
en el grafito, otras dos capas tal y como están en el grafito, y ahora las ponemos
rotadas dos a dos. Rotadas, ¿no? Si tenemos un electrodo metálico aquí y un electrodo
metálico aquí ponemos dos pilas, podemos aplicar un voltaje distinto a estos electrodos
y aplicamos un campo eléctrico. Y resulta que esos estados correlacionados de interacción
los puedes variar controlando ese campo eléctrico. O sea, que es otro sistema correlacionado
con mayor grado de control eléctrico que incluso en el grafeno de ángulo mágico.
Ha habido gente que ha rotado semiconductores que emiten luz. Ponen los dos semiconductores
uno encima del otro y resulta que los excitones, que son un par electrón hueco que si se recombinan
emiten luz. Resulta que ahora que a un electrón le gusta estar en un lugar del patrón de
moiré, el hueco en el otro y hacen lo que se llaman “excitones de Moire”. Resulta
que tienen propiedades distintas a los excitones... y las propiedades de emisión de luz son distintas
a las que tenían antes, ven que los excitones interactúan fuertemente…
Puedes poner también tres capas, ¿por qué parar en dos? Y puedes poner tres capas con
el mismo ángulo: theta, theta o theta, -theta… Tienen propiedades distintas y tal… Vamos
los teóricos están [rie].
CRESPO: De hecho, Pablo, ya que estamos: haznos un spoiler. ¿En qué estás trabajando últimamente?
Si se puede saber.
PABLO: Seguimos investigando el grafeno rotado con ángulo mágico; hay un montón de cosas
que no se entienden todavía. Las seguimos investigando. Y al mismo tiempo estamos rotando
todo: tenemos materiales bidimensionales que son magnéticos, que son superconductores
cada capa en sí, luego las pones encima y cambia la superconductividad. Hay ahora cientos
de grupos rotando todo para ver cómo cambian las propiedades. Todo esto se está produciendo,
se está investigando ahora. Porque, claro, todo esto es muy nuevo. Hace solo un año
que se conoce todo esto.
Y no podíamos perder la oportunidad de preguntarle a Pablo su experiencia como investigador en
Estados Unidos.
AMANDA: ¿tú crees que realmente hay diferencias a la hora de estudiar el grafeno en los diferentes
países? No solo por la idea económica sino también quizás porque aquí nos hemos centrado
en algunas líneas…
PABLO: Pues yo creo que sí hay diferencias bastante grandes en cómo se enfoca la investigación
básica en EEUU. Una de estas diferencias más grandes, sobretodo con España, es que
en EEUU se apuesta mucho más por la gente joven. Simplemente las universidades se arriesgan.
Contratan a alguien nuevo, le dan dinero para que empiece su laboratorio, para que contrate
a la gente… Y le dan total libertad para que haga totalmente lo que le dé la gana.
Le dicen: “Empieza, construye tu laboratorio. De aquí a seis-siete años a ver qué has
hecho”. Y eres totalmente independiente. Eso no se suele hacer en Europa tan así.
Normalmente en Europa te integras en un grupo que ya existe y dependes de algún superior
para poder hacer este proyecto o el otro y tal. Entonces, la desventaja del sistema estadounidense
