Físicos del MIT descubren un nuevo tipo de superconductor que también es un imán

Tradicionalmente, los científicos han sostenido que los superconductores y los materiales magnéticos son incompatibles, como el agua y el aceite. Sin embargo, un nuevo hallazgo revolucionario en el grafito desafía este principio centenario con el descubrimiento de un superconductor quiral.

Por Jennifer Chu / MIT News

Ilustración que muestra pares de electrones superconductores en grafeno romboédrico (estructura de celosía central) girando en sentido horario o antihorario (representados en azul y rojo). Estos pares de electrones exhiben propiedades de magnetismo y superconductividad, hasta ahora consideradas incompatibles en un mismo material. El estado electrónico representa una nueva forma de superconductor magnético. Cortesía: Sampson Wilcox, Research Laboratory of Electronics

Los imanes y los superconductores van de la mano como el agua y el aceite, o eso creían los científicos. Pero un nuevo hallazgo de unos físicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos, pone en entredicho esta hipótesis centenaria.

En un artículo publicado en la revista Nature, los físicos informan de que han descubierto un superconductor quiral, un material que conduce la electricidad sin resistencia y que, paradójicamente, también es intrínsecamente magnético. Además, han observado esta exótica superconductividad en un mineral sorprendentemente corriente: el grafito, la materia prima de la mina de los lápices.

El grafito está formado por muchas capas de grafeno —láminas atómicamente finas de átomos de carbono en forma de celosía— que se apilan entre sí y pueden desprenderse fácilmente cuando se ejerce presión, como cuando se presiona para escribir en un papel.

El superconductor quiral: ¿Qué lo hace diferente?

Un solo copo de grafito puede contener varios millones de láminas de grafeno, que normalmente están apiladas de forma que todas las capas aparecen alineadas. Pero de vez en cuando, el grafito contiene pequeñas bolsas donde el grafeno está apilado en un patrón diferente, parecido a una escalera de capas desplazadas.

El equipo del MIT ha descubierto que cuando cuatro o cinco láminas de grafeno se apilan en esta configuración romboédrica, la estructura resultante puede presentar propiedades electrónicas excepcionales que no se observan en el grafito en su conjunto.

En su nuevo estudio, los físicos aislaron del grafito copos microscópicos de grafeno romboédrico y los sometieron a una serie de pruebas eléctricas. Descubrieron que cuando las escamas se enfrían a 300 milikelvins (unos -273 ºC), el material se convierte en superconductor, lo que significa que cualquier corriente eléctrica que pase por el material puede fluir sin resistencia.

El papel del grafeno romboédrico en la superconductividad

También descubrieron que, al hacer subir y bajar un campo magnético externo, los copos de grafeno romboédrico podían alternar entre dos estados superconductores distintos, igual que un imán. Esto sugiere que el superconductor posee cierto magnetismo interno intrínseco. Este comportamiento de conmutación no se da en otros superconductores.

«La creencia general es que a los superconductores no les gustan los campos magnéticos —afirma Long Ju, profesor adjunto de Física del MIT. Y añade—: Pero creemos que esta es la primera observación de un superconductor que se comporta como un imán con pruebas tan directas y sencillas. Y es algo bastante extraño, porque va en contra de la impresión general de la gente sobre la superconductividad y el magnetismo».

Ju es el autor principal del estudio, en el que participan los coautores del MIT Tonghang Han, Zhengguang Lu, Zach Hadjri, Lihan Shi, Zhenghan Wu, Wei Xu, Yuxuan Yao, Jixiang Yang, Junseok Seo, Shenyong Ye, Muyang Zhou y Liang Fu, junto con colaboradores de la Universidad Estatal de Florida, la Universidad de Basilea (Suiza) y el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón.

«Es realmente sorprendente que un superconductor quiral tan exótico surja de ingredientes tan simples», afirma Liang Fu, a la izquierda. De izquierda a derecha, algunos de los coautores del artículo: Liang Fu, Tonghang Han, Zach Hadjri y Long Ju. Cortesía: Sampson Wilcox, Research Laboratory of Electronics

Interacciones cuánticas que activan el magnetismo

En los materiales conductores de uso cotidiano, los electrones fluyen en un revoltijo caótico, zumbando unos junto a otros y chocando contra el entramado atómico del material. Cada vez que un electrón se dispersa por un átomo, encuentra cierta resistencia y pierde energía, normalmente en forma de calor.

En cambio, cuando ciertos materiales se enfrían a temperaturas ultrafrías, pueden volverse superconductores, lo que significa que el material puede permitir que los electrones se emparejen, en lo que los físicos denominan pares de Cooper. En lugar de dispersarse, estas parejas de electrones se deslizan por el material sin resistencia. En un superconductor, por tanto, no se pierde energía en la traslación.

Desde que la superconductividad se observó por primera vez en 1911, los físicos han demostrado en numerosas ocasiones que la resistencia eléctrica cero es una característica distintiva de un superconductor. Otra propiedad definitoria se observó por primera vez en 1933, cuando el físico Walther Meissner descubrió que un superconductor expulsa un campo magnético externo. Este efecto Meissner se debe en parte a los pares de electrones de un superconductor, que actúan colectivamente para alejar cualquier campo magnético.

¿Cómo levitan los trenes de levitación magnética?

Los físicos han supuesto que todos los materiales superconductores deberían presentar tanto una resistencia eléctrica nula como una repulsión magnética natural. De hecho, estas dos propiedades son las que podrían hacer posible los trenes de levitación magnética o Maglev o de levitación magnética, en los que un raíl superconductor repele y, por tanto, hace levitar un vagón magnetizado.

Ju y sus colegas no tenían motivos para cuestionar esta suposición mientras realizaban sus experimentos en el MIT. En los últimos años, el equipo ha estado explorando las propiedades eléctricas del grafeno romboédrico de cinco capas. Los investigadores han observado propiedades sorprendentes en esta estructura de grafeno en forma de escalera de cinco capas; la más reciente es que permite a los electrones dividirse en fracciones de sí mismos.

Este fenómeno se produce cuando la estructura de pentaláminas se coloca sobre una lámina de nitruro de boro hexagonal —un material similar al grafeno— y se desplaza ligeramente un ángulo específico o giro.

Materiales desalineados

Los investigadores, intrigados por saber cómo podrían cambiar las fracciones de electrones al modificar las condiciones, realizaron pruebas similares a su descubrimiento inicial, esta vez desalineando las estructuras de grafeno y nitruro de boro hexagonal.

Para su sorpresa, descubrieron que cuando desalineaban los dos materiales y enviaban una corriente eléctrica a través de ellos, a temperaturas inferiores a 300 milikelvins, medían una resistencia nula. Parecía que el fenómeno de las fracciones de electrones desaparecía, y lo que surgía en su lugar era la superconductividad.

Los investigadores fueron un paso más allá para ver cómo respondería este nuevo estado superconductor a un campo magnético externo. Aplicaron un imán al material, junto con un voltaje, y midieron la corriente eléctrica que salía del material. Al cambiar el campo magnético de negativo a positivo (similar a la polaridad norte y sur) y viceversa, observaron que el material mantenía su estado superconductor de resistencia cero, excepto en dos casos, uno con cada polaridad magnética.

En estos supuestos, la resistencia aumentó brevemente antes de volver a cero y regresar al estado superconductor.

¿Un superconductor que también actúa como un imán?

«Si se tratara de un superconductor convencional, permanecería con resistencia cero hasta que el campo magnético alcanzara un punto crítico, en el que la superconductividad desaparecería —explica Zach Hadjri, estudiante de primer año del grupo. Y añade—: En cambio, este material parece cambiar entre dos estados superconductores, como un imán que empieza apuntando hacia arriba y puede girar hacia abajo cuando se le aplica un campo magnético. Así que parece que se trata de un superconductor que también actúa como un imán. Lo cual no tiene ningún sentido».

Por contraintuitivo que parezca el descubrimiento, el equipo observó el mismo fenómeno en seis muestras similares. Sospechan que la clave reside en la configuración única del grafeno romboédrico. El material tiene una disposición muy simple de átomos de carbono. Cuando se enfría a temperaturas ultrafrías, la fluctuación térmica se reduce al mínimo, lo que permite que los electrones que fluyen por el material se ralenticen, se perciban mutuamente e interactúen.

Estas interacciones cuánticas pueden hacer que los electrones se emparejen y se conviertan en superconductores. Estas interacciones también pueden animar a los electrones a coordinarse. Es decir, los electrones pueden ocupar colectivamente uno de dos estados de momento opuestos o valles.

Imán suspendido sobre un superconductor a alta temperatura enfriado a -200 °C. Cortesía: Peter nNussbaumer

Implicaciones para la computación cuántica y la física de materiales

Cuando todos los electrones se encuentran en un valle, giran en una dirección y no en la opuesta. En los superconductores convencionales, los electrones pueden ocupar cualquiera de los dos valles, y cualquier par de electrones suele estar formado por electrones de valles opuestos que se anulan mutuamente. Por tanto, el par en su conjunto tiene momento cero y no gira.

Sin embargo, en la estructura del material del equipo, sospechan que todos los electrones interactúan de forma que comparten el mismo valle o estado de momento. Cuando los electrones se emparejan, el par superconductor total tiene un momento distinto de cero y un giro que, junto con muchos otros pares, puede equivaler a un magnetismo interno superconductor.

En palabras de Tonghang Han, estudiante de quinto curso del grupo, «se puede pensar en los dos electrones de un par girando en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario, lo que corresponde a un imán apuntando hacia arriba o hacia abajo».

«Así que creemos que es la primera observación de un superconductor que se comporta como un imán debido al movimiento orbital de los electrones, lo que se conoce como superconductor quiral. Es único en su clase. También es un candidato a superconductor topológico que podría permitir una computación cuántica robusta», comenta Han.

«Todo lo que hemos descubierto en este material ha sido completamente inesperado —afirma Zhengguang Lu, antiguo postdoctorando en el grupo y ahora profesor en la Universidad Estatal de Florida. Y continúa—: Pero como se trata de un sistema sencillo, creemos que tenemos muchas posibilidades de entender lo que está pasando, y podríamos demostrar algunos principios de física muy profundos y profundos».

«Es realmente sorprendente que surja un superconductor quiral tan exótico a partir de ingredientes tan sencillos —explica Liang Fu, profesor de Física del MIT. Y concluye—: La superconductividad en el grafeno romboédrico seguramente tendrá mucho que ofrecer». ▪️

• Artículo publicado con la autorización de MIT News - Adaptación: Enrique Coperías

• Fuente: Han, T., Lu, Z., Hadjri, Z. et al. Signatures of chiral superconductivity in rhombohedral graphene. Nature (2025). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-09169-7