El investigador Ikerbasque del Donostia International Physics Center (DIPC) Miguel Moreno Ugeda ha recibido una dotación de casi tres millones de euros del Consejo Europeo de Investigación para desarrollar un proyecto –moiré– con el que busca desvelar el origen de la superconductividad en materiales de tipo moiré basados en grafeno a temperaturas cercanas al cero absoluto. En esta entrevista augura un rápido desarrollo de la ciencia basada en este tipo de materiales y explica las implicaciones que podría tener, por ejemplo, alcanzar la superconductividad a temperatura ambiente.

Quienes no nos dedicamos a la física podemos saber, aunque sea con trazo grueso, qué es la superconductividad, pero lo de los materiales cuánticos ya se nos empieza a escapar. ¿Qué son exactamente?

Un material cuántico es aquel cuyas las propiedades no se pueden describir simplemente con electrones independientes entre sí. Muchas veces, las propiedades de los materiales se pueden describir suponiendo que los electrones del material no interactúan entre ellos. En los materiales cuánticos esto no ocurre; o se tienen en cuenta las interacciones electrón-electrón o no se es capaz de reproducir sus propiedades. Se puede decir que los materiales cuánticos son aquellos en los que las interacciones electrónicas son muy relevantes, y eso da lugar a fenómenos muy exóticos.

Un tipo particular de estos materiales cuánticos son los materiales moiré, ¿no?

Sí. Se sabe desde hace cuatro años que estos materiales, basados en grafeno en particular, aunque también se puede hacer con otros materiales bidimensionales, al crear el moiré da lugar a propiedades electrónicas muy exóticas; por ejemplo, la superconductividad. Para crear un moiré en grafeno basta con rotar las dos capas entre ellas, eso sí, a un ángulo muy determinado. En ese momento aparecen unas propiedades electrónicas que no existen en el grafeno.

«Para crear un moiré en grafeno basta rotar las dos capas entre ellas, eso sí, a un ángulo muy determinado. En ese momento aparecen propiedades que no existen en el grafeno»

 

En ese tipo de material ha centrado su proyecto. ¿Cuál es el objetivo de este trabajo?

Es sencillo; desde hace cuatro años se sabe que estos materiales de grafeno tipo moiré son superconductores. De hecho, funciona con dos capas, con tres capas, con cuatro,  con cinco. Rotas unos pocos grados una capa respecto de la otra, vas poniendo una encima de la otra, rotándola un grado, un grado y medio... Eso es suficiente para dar lugar a la superconductividad. Pero no se sabe cuál es el origen de esta superconductividad, y esa es la pregunta que intentamos responder. Son superconductores, pero ¿por qué? Vamos a intentar responder a esa pregunta utilizando microscopía de efecto túnel con una resolución energética excepcional. Es una técnica experimental apropiada para responder a este tipo de preguntas.

Ha recibido una ayuda del Consejo Europeo de Investigación de tres millones de euros. No es fácil acceder a esas tipo de ayudas y no es habitual una cuantía tan alta. Imagino que estará satisfecho.

Claro. Lo que pasa es que el tipo de tecnología que requiere el estudio de estos materiales exige mucha limpieza, vacío para que no se oxiden los materiales... Eso requiere una tecnología cara. Hacen falta muy bajas temperaturas y eso también es una tecnología cara. Todo eso hace que se necesite una cantidad de dinero muy grande. Supera por mucho los dos millones de euros que es el límite máximo de la red. En los casos excepcionales y bien justificados puedes pedir hasta tres millones de euros. Yo argumenté que para acceder a este tipo de física nueva hacía falta este tipo de tecnología. Pedí 2,8 millones y es lo que nos han dado.

Ha mencionado que van a hacer uso de un microscopio de efecto túnel, ¿No es una herramienta habitual?

Los microscopios de efecto túnel son bastante habituales, es una técnica que tiene casi cuarenta años, no es nueva. Lo que lo que sí es nuevo son las condiciones en las que va a trabajar. Este microscopio tiene resolución atómica como cualquier microscopio de efecto túnel, pero va a trabajar a unas temperaturas extremadamente bajas. Se va a tratar de generar la superconductividad y para hacerlo con la resolución que queremos tenemos que bajar a temperaturas de 20 milikelvin, muy cerca del cero absoluto. También tiene que trabajar en condiciones de ultra-alto vacío para intentar evitar que las muestras que vamos a estudiar estén sucias. Cualquier cosa que expones al aire tiene oxígeno, y la oxidación de cualquier material ocurre en microsegundos. Necesitamos evitar esa oxidación, y eso se consigue haciendo vacío. Además, este microscopio tiene otra característica que no suelen tener los microscopios de efecto túnel habituales, y es que podemos aplicar campos magnéticos muy altos.

¿Hay muchos centros en Europa que cuenten con este tipo de tecnología? ¿Puede el DIPC convertirse en un centro de referencia en este ámbito?

Microscopios similares en Europa hay muy pocos. Que yo conozca  este va a ser el segundo o tercer microscopio de este estilo en Europa, y en el mundo debe haber siete u ocho, no más. Aun así, no creo que todos estén preparados para medir este tipo de muestras tan particulares. En cualquier caso, independientemente de que sea el segundo o el tercero, el DIPC con esta máquina debería convertirse en un polo de referencia en el desarrollo de este tipo de materiales.

¿Cree que en los próximos años puede desarrollarse mucho la ciencia de materiales?

De materiales de tipo moirés, sí. El boom de estos materiales ocurrió en 2018, luego hubo un parón grande por la pandemia, y creo que se investigó poco. Pero estos materiales de moiré han sorprendido absolutamente a todo el mundo por sus características. La parte importante es que se conocen tantos materiales bidimensionales con los que hacer física de moiré que las posibilidades son ilimitadas; a día de hoy, este proyecto se centra en el grafeno, pero materiales 2D hay muchísimos. Desde que se conocen en el año 2004 hasta ahora creo que se han conseguido aislar o sintetizar unos 6.000. Imagina que puedes coger cualquiera de esos 6.000, rotarlos un poco e intentar ver qué pasa.

Las posibilidades de investigación, o a la larga de desarrollar este tipo de materiales para que respondan a las propiedades que estás buscando, son infinitas. Yo hablo de dos décadas, creo que en las próximas dos décadas este campo va a explotar.

«Se conocen tantos materiales bidimensionales con los que hacer física de moiré que las posibilidades de investigación, o de desarrollar este tipo de materiales para que respondan a las propiedades que estás buscando, son infinitas»

La superconductividad está ligada a estados de muchísimo frío ambiental, cercanos al cero absoluto. ¿Es posible la superconductividad a temperatura ambiente o cerca de ella?

Ese es un poco el Santo Grial, intentar llegar a la superconductividad en materiales que estén a temperatura ambiente. Hasta hoy no se ha conocido. De hecho, la superconductividad en nuestros materiales también ocurre a temperaturas muy bajas, en ese sentido no es muy distinto de otros.

Pero lo que distingue a esta superconductividad de cualquier otra es que los mecanismos que la generan no se conocen en la naturaleza. Hasta ahora no nos hemos encontrado con ningún material así. No es otro superconductor más. Se sospecha que esta va a ser una superconductividad nueva. ¿A dónde nos lleva eso? Pues, a saber. A lo mejor conocemos una superconductividad que luego podamos inducir en otros materiales y que se consigue a temperaturas mucho más altas. Eso es hablar un poco por hablar, pero también es verdad que es una nueva avenida que se abre de cara a encontrar la superconductividad a temperatura ambiente.

Si eso ocurriera, si se consiguiera, las implicaciones serían muy importantes, ¿no?

Sí, sí, la superconductividad a temperatura ambiente se busca con tanto ahínco porque supondría el transporte de energía eléctrica sin pérdidas. Es decir, el ordenador que estás utilizando, cuando lo tocas está caliente ¿Por qué está caliente? Porque el paso de corriente disipa mucha energía. Eso en un material superconductor no ocurriría, así que dejaríamos de pagar ese precio.

Todo esto es ciencia básica, cuya aplicación práctica puede tardar años. ¿Cree que se dedican suficientes recursos a la ciencia básica o estamos demasiado presionados por el corto plazo, por los resultados inmediatos?

Yo creo que no se dedica lo que se debería dedicar, sobre todo, a sabiendas del mucho beneficio que ha proporcionado la ciencia. Por ejemplo, en el siglo XX. La ciencia demostró en el siglo pasado la capacidad de cambiar nuestras vidas, y aun así a veces muchos países parecen reacios a invertir. Hay algunos que lo hacen mejor que otros, obviamente, pero efectivamente parece que nos cuesta, como si estuviéramos tirando el dinero. Yo creo que es justo al revés, es una forma de inversión en nuestra calidad de vida.