El 'ángulo mágico' que trasforma y controla nuevos materiales, así es el Premio Fronteras del Conocimiento de BBVA

La unión de la investigación y la experimentación son claves para los descubrimientos y los avances científicos. Muchos hallazgos se quedan solo en la teoría ante la incapacidad -la mayoría de las veces por falta de medios o de tiempo- de hacerlos realidad en el laboratorio y aplicarlos en el día a día. Por eso, el éxito y la unión entre las investigaciones entre el físico canadiense Allan H. Mac Donald, de la Universidad de Texas y el trabajo en el laboratorio del español Pablo Jarrillo Herrero, investigador del Instituto Tecnológico de Massachusetts, es merecedor de un Premio de la Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en la categoría de Ciencias Básicas.

Su unión y descubrimientos sobre el denominado ‘ángulo mágico’ permite transformar y controlar el comportamiento de nuevos materiales. 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 obtener superconductividad, magnetismo y otras propiedades mediante la rotación de nuevos materiales bidimensionales como el grafeno.

Una investigación profética

La fascinación de Allan MacDonald, de 74 años, por los materiales bidimensionales y sus extraordinarias propiedades físicas surgió una década después de acabar sus estudios de Física. En el año 1988 el investigador realizaba una estancia en el Instituto Max Planck de Alemania aprendiendo de Klaus von Klitzing, que pocos años antes, en 1985 había recibido el Premio Nobel de Física en 1985. En aquel momento, en el laboratorio del prestigioso físico alemán trataban de crear materiales que les permitieran profundizar en el estudio de fenómenos como la superconductividad.

“Ellos tenían la visión de fabricar materiales artificiales y manipularlos a su gusto, pero resultó que, con los métodos disponibles entonces, no pudieron lograr el control suficiente, la estructura necesaria para observar los efectos más interesantes”, según explica el propio premiado en una entrevista concedida tras la concesión del premio.

Esta visión sobre la manipulación de nuevos materiales guió la carrera científica de MacDonald para estudiar comportamientos inusuales de las láminas de grafeno superpuestas y, posteriormente, de otros materiales también formados por finísimas capas, buscando abrir vías de acceso a un nuevo mundo de propiedades con potenciales aplicaciones tecnológicas.

Aunque la investigación de MacDonald es puramente teórica, ha enfocado su carrera para encontrar resultados trasladables a la vida real y reconoce la gran importancia de la sinergia entre lo teórico y lo experimental en el estudio de materiales: “En el campo de la twistrónica, existe una relación entre la teoría y el experimento constante que recuerda a la del huevo y la gallina. La teoría es muy importante para los investigadores experimentales porque da indicaciones sobre qué fenómenos merece la pena comprobar. Y el experimento es una guía fundamental para buscar una forma de comprender las propiedades observadas”.

1,1º, el ángulo mágico

MacDonald 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, posibilidades casi inimaginables para MacDonald cuando publicó sus resultados en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences. El investigador galardonado llamó al ángulo de 1,1º entre las capas de grafeno “ángulo mágico”.

Un español en el laboratorio

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 de su cogalardonado es “casi ciencia ficción”.

Entretanto, el español Pablo Jarillo-Herrero se había interesado ya por la posibilidad de rotar capas de grafeno una sobre otra a ángulos concretos porque era algo que “nunca se había podido hacer en la historia de la física, era territorio inexplorado y, por tanto, tenía que dar lugar a algo interesante”.

Pero el investigador no sabía cómo llevarlo a cabo en el laboratorio. Durante años, fue capaz de superponer capas de este finísimo material, pero no de elegir el ángulo entre ellas. Por fin, consiguió diseñar una manera de controlar este ángulo y de hacerlo cada vez más pequeño hasta llegar al valor “mágico” de 1,1º, y fue entonces cuando comprobó el extraordinario comportamiento al que daba lugar en el grafeno.

De la teoría... por fin a la práctica

Pablo Jarillo-Herrero, nacido en Valencia en 1976 y desde 2008 catedrático de Física en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, explica: “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 investigador.

En sendos artículos publicados en Nature en 2018, 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. Su contribución se convirtió en la más citada del año en todas las áreas de conocimiento, no solo en Nature sino en todas las revistas de su grupo editorial. La técnica que desarrollaron permite hoy superponer capas de materiales bidimensionales a cualquier ángulo elegido, dando lugar a todo tipo de propiedades físicas novedosas.

El grafeno: la 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”.

Los futuros avances que permitan entender mejor cómo se generan los diversos comportamientos de la materia a partir del grafeno ayudarán a diseñar nuevos materiales con propiedades nunca vistas. “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".

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