Eva Cortés-del Río, Jose Luis Lado, Vladimir Cherkez, Pierre Mallet, Jean-Yves Veuillen, Juan Carlos Cuevas, José María Gómez-Rodríguez, Joaquín Fernández-Rossier, Iván Brihuega «Observation of Yu–Shiba–Rusinov States in Superconducting Graphene«, publicado en Advanced Materials, ha sido seleccionado como uno de los 2 artículos destacados del semestre Abril-Septiembre 2021.

En el mundo cuántico, los electrones pueden agruparse para comportarse de formas fascinantes. El magnetismo es uno de estos comportamientos que vemos en nuestro día a día, al igual que el fenómeno más raro de la superconductividad. Curiosamente, estos dos comportamientos son a menudo antagonistas, lo que significa que la existencia de uno tiende a destruir la del otro.

En la actualidad, los esfuerzos de muchos investigadores se centran en encontrar materiales donde estos dos estados cuánticos opuestos puedan coexistir artificialmente, ya que esto generaría un extraño estado llamado Yu-Shiba-Rusinov, el cual puede usarse para fabricar cúbits topológicos, que son la clave para los futuros ordenadores cuánticos.

Los cúbits topológicos proporcionan la base para la computación cuántica topológica, un tipo de computación cuántica mucho menos sensible a las interferencias externas. Sin embargo, el diseño y control de cúbits topológicos ha sido hasta hora un problema crítico, debido a la dificultad de encontrar materiales capaces de albergar estados de Yu-Shiba-Rusinov. En la búsqueda estos materiales, hemos recurrido al grafeno.

El grafeno, formado por una sola capa de átomos de carbono, representa un material común y altamente controlable que ha emergido como uno de los materiales claves para las tecnologías cuánticas. Sin embargo, el grafeno químicamente puro no es magnético ni superconductor, que son los dos ingredientes principales necesarios para construir cúbits topológicos basados en estados de Yu-Shiba-Rusinov.

En este trabajo hemos podido demostrar experimentalmente que el magnetismo y la superconductividad pueden coexistir en el grafeno.

Dado que el grafeno no es superconductor por naturaleza, una forma de inducir esta superconductividad sobre él es mediante el efecto de proximidad. Este efecto consiste en que, cuando un metal entra en contacto con un superconductor, el metal hereda las propiedades superconductoras. De esta forma, hemos podido introducir superconductividad en grafeno mediante el crecimiento de islas de plomo sobre él.

Como fuente de señal magnética, hemos estudiado las llamadas fronteras de grano, formadas naturalmente entre regiones de grafeno de diferentes orientaciones cristalográficas. Estas fronteras habían sido propuestas como posible fuente de magnetismo en grafeno [1,2], sin embargo, no había hasta ahora ningún trabajo en la literatura que confirmase la existencia de magnetismo en ellas. Hemos podido detectar en estas fronteras de grano los estados exóticos de Yu-Shiba-Rusinov mediante microscopía de efecto túnel, confirmando así, de forma inequívoca, la existencia de momentos magnéticos en ellas.

Este trabajo, que ha ocupado la portada de la revista Advanced Materials, revela el potencial del grafeno como plataforma para la computación cuántica topológica, dado que los estados de Yu-Shiba-Rusinov proporcionan un punto de partida para poder finalmente crear cúbits topológicos de grafeno.

[1] Cervenka et al, “Room-temperature ferromagnetism in graphite driven by two-dimensional networks of point defects”, Nature Physics, 2009. 5(11): p. 840-844.

[2] Dutta et al, “Magnetization due to localized states on graphene grain boundary”. Scientific Reports, 2015. 5: p. 9.