La twistrónica y la antipiedra filosofal

Imaginemos que tenemos el poder de la piedra filosofal, aquella sustancia legendaria que los alquimistas buscaban para convertir cualquier metal en oro. Ahora, imaginemos lo contrario: una “antipiedra filosofal” que, en lugar de transformar todo en una sola cosa, a partir de un único material pudiéramos hacerlo comportarse como muchos otros distintos. Así es como el español Pablo Jarillo-Herrero explica la “twistrónica”, la idea que, posiblemente, nos permita tener el primer premio Nobel de Física nacido en España.

La “twistrónica”, un campo emergente de la física y la ciencia de materiales que está cambiando algunas reglas del juego. La historia empieza con un giro de apenas 1.1 grados entre dos láminas de grafeno. El grafeno es una única capa de átomos de carbono dispuestos en una perfecta malla hexagonal, como un panal de abejas a escala atómica. Es el material más fino que existe, doscientas veces más resistente que el acero y un excelente conductor de la electricidad. Sin embargo, los científicos siempre han querido llevar sus propiedades aún más lejos. Y la clave llegó por accidente (¡serendipia!). En 2009, el grupo de investigación de la física Eva Y. Andrei, en la Universidad de Rutgers, estudiaba cómo fabricar grafeno en mayores cantidades. Al hacerlo crecer sobre un sustrato de níquel, en lugar de una sola capa, obtuvieron dos, una encima de la otra. Lo curioso es que estas dos capas no estaban perfectamente alineadas; había un minúsculo ángulo de rotación, un ligero “desacople” (o “twist” en inglés) entre ellas. Lejos de ser un defecto, este giro resultó ser la puerta a un nuevo universo de posibilidades. Cuando observaron estas capas giradas con un microscopio de efecto túnel, los investigadores vieron algo sorprendente: un enorme patrón de interferencia, conocido como patrón de Moiré. En el grafeno, este patrón a nanoescala creaba una especie de “super-red” que alteraba drásticamente el comportamiento de los electrones. El descubrimiento (publicado en Nature) planteaba una pregunta fundamental: ¿era este efecto una simple curiosidad o algo que se podía predecir y controlar? Y aquí entra el físico teórico Allan McDonald que, en 2011, desarrolló un modelo matemático que predecía que, a un ángulo muy específico, que bautizó como “ángulo mágico” (aproximadamente 1.1 grados), el comportamiento de los electrones cambia de forma radical, creando interacciones entre ellos que dan lugar a fenómenos cuánticos exóticos como la superconductividad: la capacidad de conducir electricidad sin ninguna pérdida de energía. La predicción de McDonald pasó casi desapercibida durante años ya que reproducir experimentalmente la propuesta parecía una proeza técnológica imposible.

Y aquí aparece, en 2018, el físico español Pablo Jarillo-Herrero y su equipo en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). Lograron lo que parecía imposible: apilar dos láminas de grafeno y girarlas con una precisión atómica hasta alcanzar el ángulo mágico. Los resultados, publicados en dos artículos simultáneos en Nature, fueron espectaculares. Demostraron que, tal como predecía la teoría, el grafeno de ángulo mágico se convertía en un superconductor. Y cambiando ligeramente el ángulo o aplicando un campo eléctrico, también podían convertirlo en un perfecto aislante. Este logro experimental viralizó el campo, al que ya en 2016 se había bautizado como “twistrónica” (de *twist* y *electronics*). Jarillo-Herrero, McDonald y Andrei han sido galardonados desde entonces con los premios más prestigiosos de la ciencia, como el Premio Fronteras del Conocimiento de la Fundación BBVA y el Premio Kavli (equivalente al Nobel en el ámbito de la física y los nanomateriales), por sentar las bases de esta disciplina.

La twistrónica ha abierto una caja de Pandora. El principio no se limita al grafeno; los científicos ya están aplicando esta técnica de “girar y controlar” a una amplia gama de materiales bidimensionales. Se están explorando combinaciones para crear dispositivos optoelectrónicos más eficientes, memorias de ordenador ultradelgadas, sensores magnéticos de altísima precisión y, sobre todo, componentes para la computación cuántica.

A pesar del enorme potencial, el principal obstáculo sigue siendo el escalado. Fabricar estos dispositivos con precisión atómica en un laboratorio es una cosa; producirlos a gran escala para aplicaciones industriales es un desafío completamente diferente. Se necesitarán años de investigación y desarrollo para que podamos ver la twistrónica en nuestros teléfonos móviles o en las redes eléctricas. De momento a ver si Pablo Jarillo-Herrero nos da una alegría con el Nobel de Fïsica.