Premio Fronteras por descubrir el ángulo mágico que permite controlar el comportamiento de nuevos materiales
La Fundación BBVA ha concedido el Premio Fronteras del Conocimiento en Ciencias Básicas a los físicos Allan MacDonald (Canada) y Pablo Jarillo-Herrero (España) por el descubrimiento de un ángulo mágico que permite obtener superconductividad, magnetismo y otras propiedades mediante la rotación de nuevos materiales como el grafeno. Sus hallazgos abren la puerta a aplicaciones de gran impacto, que van desde la transmisión de electricidad sin pérdidas energéticas hasta el desarrollo de dispositivos electrónicos y tecnologías de computación cuántica
El “trabajo pionero” de ambos investigadores, en palabras del jurado, ha logrado tanto la fundamentación teórica como la comprobación experimental de un nuevo campo, hoy conocido como twistrónica, que permite transformar y controlar el comportamiento de nuevos materiales bidimensionales.
Allan MacDonald, investigador de la Universidad de Texas, anticipó en 2011 una propiedad inesperada del grafeno, un material compuesto por una capa de carbono de un solo átomo de grosor. El hallazgo predecía que, al rotar una capa de grafeno sobre otra a un ángulo muy preciso, los electrones (que, en materiales convencionales, se mueven a miles de kilómetros por segundo) frenaban su velocidad hasta quedarse casi quietos. Esta ralentización tan radical abría la puerta a enormes cambios en el comportamiento del grafeno casi inimaginables hasta entonces. El investigador galardonado llamó al ángulo de 1,1º entre las capas de grafeno “ángulo mágico”.
Una verificación experimental que parecía ciencia ficción
Sin embargo, aquel descubrimiento no tuvo una gran repercusión inmediata, y hubo que esperar a que se verificara en el laboratorio para apreciar su valor real. “A la comunidad no le interesaría tanto mi área de investigación si no existiera un programa de experimentos que concretara aquella visión original”, apunta MacDonald, que insiste en que el logro del valenciano Pablo Jarillo-Herrero es “casi ciencia ficción”.
“Fue una sorpresa grande, porque la técnica que empleamos, que era conceptualmente sencilla, fue difícil de llevar a cabo en el laboratorio. Cogimos una lámina, como si fuera de plástico transparente de cocina pero hecha de un material que es cien mil veces más fino que un pelo. La partimos en dos trozos y, sin provocar ninguna arruga, pusimos un trozo encima de otro de manera que estuvieran perfectamente orientados”, explica el físico español que trabaja en el MIT desde hace casi veinte años.
Jarillo-Herrero constató que el grafeno de ángulo mágico se vuelve o bien aislante o bien superconductor, y es posible además modificar su comportamiento con una precisión nunca vista. La técnica que desarrollaron permite hoy superponer capas de materiales bidimensionales a cualquier ángulo elegido, dando lugar a todo tipo de propiedades físicas novedosas.
Una piedra filosofal inversa
El impacto de este hallazgo, según explican los galardonados, no ha hecho más que empezar. Rotando capas de materiales bidimensionales una sobre otra a ángulos diferentes “podemos hacer realidad todos los comportamientos de la materia que existen: no solamente aislantes y superconductores, sino también magnetismo y muchísimos otros comportamientos complejos”, explica Jarillo-Herrero. Hasta ahora, precisa, se necesitaban diferentes elementos de la tabla periódica para observar toda esta gama de propiedades, mientras que el grafeno permite verlos todos en uno: el carbono. Este elemento se convierte en una “piedra filosofal inversa”, asegura el investigador, ya que, en lugar de convertir cualquier material en oro, es el grafeno el que adopta el comportamiento de cualquier otro material.
Sin embargo, para poder llevar todo este conocimiento a aplicaciones industriales, un primer paso esencial será diseñar mejores maneras de fabricar capas de grafeno con orientaciones preestablecidas. El proceso actual es tan artesanal que se tardan semanas o incluso meses en generar uno solo de estos dispositivos, y quienes se dedican a ello son “como monjes medievales haciendo un manuscrito”, a juicio de Jarillo-Herrero. “No tenemos una imprenta que nos permita fabricar miles y millones de dispositivos iguales de una vez, y obtenerla requerirá mucho trabajo de investigación en ingeniería básica por el que ya hay un cierto interés en la comunidad”.
“Una de las aplicaciones más probables —afirma MacDonald— es un nuevo tipo de dispositivos, que controlan la transferencia de información entre los ordenadores y los cables de fibra óptica. Es una tecnología muy prometedora, y estos materiales son los mejores candidatos para lograr un control eléctrico de las propiedades ópticas”. Así, una “imprenta” de láminas de grafeno rotadas a diferentes ángulos permitirá comprobar la prevista utilidad de estos materiales para las tecnologías cuánticas como la computación o los sensores, y ciertos tipos de inteligencia artificial, con un coste energético mucho menor que el actual.