En el laboratorio de la Universidad de Cornell, los científicos se toparon por casualidad con un material que se comporta como si en él coexistieran simultáneamente dos mundos opuestos de electrones. Se trata del grafeno romboédrico de seis capas: seis láminas de carbono apiladas con un desplazamiento en un patrón repetido. En lugar de estudiar capas retorcidas, los investigadores obtuvieron una pila regular, y fue precisamente ella la que reveló fases cuánticas inesperadas.
El grafeno es conocido desde hace tiempo por su resistencia y su conductividad, pero cuando las capas se apilan de una manera determinada, los electrones empiezan a interactuar entre sí con mucha más fuerza. En la versión de seis capas, con una determinada densidad de portadores de carga y un campo eléctrico externo, surge un régimen en el que electrones y huecos coexisten y correlacionan intensamente. Esto recuerda a una multitud de personas en la que cada una influye en el movimiento de su vecino, en lugar de limitarse a seguir su propio camino.
Las mediciones mostraron la desaparición de la resistencia eléctrica —señal de superconductividad— y un efecto Hall anómalo que indica magnetismo orbital. Dos estados superconductores surgieron precisamente allí donde electrones y huecos se entrecruzan. Al parecer, su interacción desempeña un papel clave en la formación de estas fases, algo que no se había observado en el grafeno de cinco capas.
El dispositivo se colocó entre capas de nitruro de boro y se controló mediante el campo de las compuertas. Variando la temperatura, el campo magnético y la concentración de portadores, el equipo construyó un detallado diagrama de fases. En él se distinguen claramente aislantes inducidos por interacciones, regiones de superconductividad y dos tipos de magnetismo orbital. Los resultados se publicaron en Nature Physics.
El descubrimiento es importante no solo para la física fundamental. Comprender cómo la interacción de electrones y huecos genera superconductividad sin mecanismos tradicionales puede acercar la creación de materiales que funcionen a temperaturas más altas. Tales materiales serán útiles en computadoras cuánticas, líneas de transmisión energéticamente eficientes y nuevos sensores.
Ahora los investigadores profundizan en la naturaleza del magnetismo orbital. Comprueban la hipótesis de que parte de los portadores forma una estructura similar a un cristal, mientras que los demás permanecen en un estado similar a un líquido. Estas cuestiones van más allá del presente trabajo, pero ya ahora está claro: el grafeno de seis capas se ha convertido en un nuevo escenario para el estudio de las correlaciones cuánticas.
El descubrimiento casual recuerda una vez más que, en el mundo de los materiales bidimensionales, basta con cambiar el número de capas o su disposición mutua para que las propiedades habituales se transformen en algo completamente nuevo.
