La superconductividad es uno de los fenómenos más intrigantes de la física de materiales. A temperaturas extremadamente bajas, ciertos materiales pierden completamente su resistencia eléctrica, permitiendo la conducción sin pérdidas de energía. Este efecto, que ya ha revolucionado la tecnología en aplicaciones como los trenes de levitación magnética y los dispositivos médicos de resonancia magnética, sigue siendo un campo lleno de misterios. Ahora, un nuevo estudio en grafeno bicapa de Bernal ha revelado la existencia de dos estados superconductores distintos, desafiando los modelos teóricos actuales y abriendo nuevas posibilidades en la investigación de materiales cuánticos.

Un equipo de investigadores de la Universidad de California en Santa Bárbara y el Instituto de Tecnología de California ha logrado identificar estas fases superconductoras en grafeno bicapa colocado sobre un sustrato de diseleniuro de tungsteno (WSe₂). Su estudio, publicado en Nature Physics, detalla cómo estas fases presentan características inesperadas y podrían obligar a los científicos a replantear cómo ocurre la superconductividad en ciertos materiales basados en carbono​.

El grafeno y su sorprendente capacidad superconductora

Desde su aislamiento en 2004, el grafeno ha fascinado a la comunidad científica por sus propiedades únicas. Este material, compuesto por una sola capa de átomos de carbono dispuestos en una estructura hexagonal, es extraordinariamente resistente, flexible y un excelente conductor eléctrico. Pero lo que ha llamado aún más la atención es su capacidad para adquirir superconductividad bajo ciertas condiciones.

En los últimos años, los investigadores han descubierto que apilar capas de grafeno en ángulos específicos o combinarlas con otros materiales puede inducir estados superconductores. Un caso destacado es el del grafeno bicapa de Bernal, donde los átomos de una capa están alineados con los de la otra, formando una estructura altamente simétrica. Sin embargo, al colocar esta estructura sobre un sustrato de WSe₂, los científicos encontraron que el material exhibía no solo una superconductividad mejorada, sino también dos fases distintas que desafían las explicaciones tradicionales​.

Dos superconductores inesperados

En el nuevo estudio, los investigadores identificaron dos estados superconductores, denominados SC1 y SC2. La principal diferencia entre ellos radica en sus propiedades electrónicas y en la forma en que interactúan con los campos magnéticos:

•  SC1 se comporta de manera similar a otros superconductores conocidos.
• SC2 presenta una rotura de simetría rotacional, un fenómeno conocido como nematicidad.

Según los autores del estudio, la superconductividad en SC2 emerge de un estado normal que ya muestra signos de nematicidad, es decir, una fase donde los electrones prefieren moverse en ciertas direcciones en lugar de distribuirse de manera uniforme. Este comportamiento, que también se ha observado en otros materiales superconductores como los superconductores de hierro, podría ser clave para entender mejor cómo ocurren estos fenómenos​.

Otro aspecto crucial del estudio es que ambas fases superconductoras desafían los límites establecidos por la teoría. Normalmente, los superconductores tienen una resistencia a los campos magnéticos aplicados en el plano del material, pero en este caso, ambos estados superan el límite paramagnético esperado. Esto sugiere que hay un mecanismo desconocido que protege la superconductividad en estos materiales​.

Un mecanismo de emparejamiento aún por explicar

Para comprender mejor estas fases, los investigadores realizaron mediciones de oscilaciones cuánticas, una técnica que permite analizar la estructura electrónica del material. Los resultados mostraron que el estado SC1 es compatible con la estructura de bandas esperada, pero SC2 se origina en un estado normal completamente diferente, con una distribución electrónica alterada.

Por otra parte, los investigadores encontraron que los superconductores en este sistema no encajan dentro de los modelos tradicionales que explican la superconductividad mediada por interacciones electrónicas y vibraciones de la red cristalina (fonones).

Para abordar este problema, el equipo propuso un nuevo mecanismo basado en la descomposición orbital de los pares de electrones superconductores. En este modelo, la superconductividad se vería limitada por la imperfección en la polarización de las capas de electrones, un concepto que podría ayudar a explicar la estabilidad de estos estados bajo condiciones extremas​.

Implicaciones y futuro de la investigación

El hallazgo de estas dos fases superconductoras en grafeno bicapa de Bernal podría tener profundas implicaciones para la física de la materia condensada. Si bien el descubrimiento todavía requiere más estudios teóricos y experimentales, ya plantea preguntas fundamentales sobre cómo se forman los pares de electrones superconductores y cómo se pueden diseñar materiales con propiedades electrónicas ajustables.

Los investigadores ya han comenzado a expandir sus estudios a otras estructuras de grafeno. Según Holleis, el equipo ha presentado un nuevo trabajo sobre superconductividad en grafeno trilámina con WSe₂, lo que sugiere que estos fenómenos podrían estar presentes en una gama más amplia de materiales basados en carbono​.

Si estos resultados se confirman, podrían allanar el camino para el diseño de nuevos superconductores con propiedades controladas, lo que beneficiaría tecnologías avanzadas como la computación cuántica, la electrónica de baja disipación y los sistemas de transporte eléctrico de alta eficiencia.