El hallazgo, publicado en "Nano Letters", revela un mecanismo que permite diseñar superconductividad local o colectiva en materiales 2D, abriendo nuevas vías para futuros dispositivos cuánticos
Científicos de la Universidad Autónoma de Madrid, junto con otras instituciones españolas y europeas, han demostrado que la superconductividad inducida en grafeno puede controlarse con gran precisión manipulando la calidad del contacto entre este material y diminutas islas de plomo.
El trabajo, publicado en Nano Letters, abre nuevas posibilidades para diseñar dispositivos superconductores de próxima generación, desde transistores y sensores cuánticos más sensibles hasta componentes para futuros qubits.
Aunque el grafeno —una lámina de carbono de un solo átomo de grosor— es ya un conductor excepcional, los investigadores comprobaron que al depositar sobre él pequeñas islas de plomo (un material superconductor) los electrones del grafeno adquieren propiedades superconductoras: pueden desplazarse sin resistencia y sin disipar energía.
El resultado más llamativo es que no todas las interfaces grafeno–plomo se comportan igual. En uno de los lados del cristal de SiC —carburo de silicio, utilizado como sustrato para hacer crecer el grafeno— el efecto superconductor era intenso, pero se desvanecía con rapidez. En el lado opuesto, en cambio, la superconductividad era más débil, aunque se extendía de manera uniforme por toda la lámina, como si decenas de islas de plomo contribuyeran conjuntamente a un estado cuántico colectivo.
Ingeniería cuántica a través de interfaces
El estudio demuestra que la superconductividad en materiales bidimensionales no es una propiedad fija, sino un fenómeno que puede diseñarse mediante ingeniería de interfaces. Esta aproximación permite crear nuevos estados cuánticos con características ajustadas a demanda.
El equipo también identificó el parámetro decisivo: no importa tanto el tamaño ni la separación de las islas de plomo, sino la "transparencia" de la interfaz —la facilidad con la que los electrones pasan de un material a otro—. Una interfaz más opaca reduce la intensidad local de la superconductividad, pero permite que el fenómeno se propague mucho más lejos, facilitando que múltiples islas contribuyan a un estado común.
"La clave está en que podemos elegir si queremos una superconductividad más localizada e intensa, o bien distribuida y cooperativa, simplemente controlando cómo se forman las interfaces. Es, en cierto modo, como ajustar a distancia las propiedades cuánticas del material", explican los autores.
Un microscopio que observa —y mueve— estados cuánticos
Para estudiar el fenómeno, los investigadores utilizaron microscopía de efecto túnel (STM) a 1,2 Kelvin, temperaturas próximas al cero absoluto. Esta técnica les permitió visualizar la topografía del grafeno átomo a átomo y detectar la "firma" electrónica asociada al estado superconductor en cada punto.
Además, llevaron a cabo un experimento inusual: usaron la propia punta del microscopio para desplazar manualmente algunas islas de plomo y crear uniones S/N/S —pequeños "sándwiches cuánticos"— con geometrías controladas.
Al variar la separación entre islas, los científicos observaron cómo cambiaba la superconductividad. Las medidas experimentales, interpretadas mediante simulaciones basadas en las ecuaciones de Usadel, revelaron que la conductancia de la interfaz explicaba por completo el comportamiento observado.
El efecto proximidad en su máxima expresión
El fenómeno que hace posible este comportamiento es el llamado efecto proximidad superconductor. El grafeno resulta especialmente adecuado para estudiarlo porque sus electrones, que se comportan como si no tuvieran masa efectiva, amplifican y modulan el acoplamiento con materiales superconductores. Además, puede doparse aplicando campos eléctricos, lo que abre la puerta a controlar la superconductividad mediante electrónica convencional.
El equipo comprobó que cuando la interfaz es más opaca —y el efecto superconductor más débil— la longitud de coherencia se multiplica por seis respecto a la distancia entre islas. En estas condiciones, varias decenas de islas pueden acoplarse entre sí y generar un superconductor colectivo, cuyo estado final surge de la contribución coordinada de muchas fuentes, no de una sola dominante.
Este avance muestra que es posible diseñar superconductividad a medida en sistemas bidimensionales, un paso esencial hacia dispositivos cuánticos donde se puedan seleccionar con precisión las propiedades del estado superconductor.
Una analogía para entenderlo
Imagine un lienzo (el grafeno) y varios frascos de pintura (las islas de plomo). Con una pintura espesa, cada frasco deja una mancha intensa y bien delimitada, pero el lienzo queda lleno de huecos: el color no se mezcla ni se extiende. Con una pintura fluida, en cambio, el color se dispersa y se combina, cubriendo el lienzo de manera uniforme, aunque cada aporte individual sea menos intenso.
En el grafeno ocurre algo similar: si la interfaz con el plomo es muy transparente (pintura espesa), el efecto es fuerte pero localizado. Si es más opaca (pintura fluida), el efecto se extiende y se vuelve colectivo. El resultado final depende, sobre todo, de esa "viscosidad cuántica" de la interfaz.
Referencia bibliográfica:
Stefano Trivini, Tim Kokkeler, Jon Ortuzar, Eva Cortés-del Río, Beatriz Viña-Bausá, Pierre MalletJean-Yves Veuillen, Juan Carlos Cuevas, Ivan Brihuega F., Sebastian Bergeret, Jose Ignacio Pascual. "From Local to Collective Superconductivity in Proximitized Graphene". Nano Lett. 2025, 25, 46, 16323–16329 https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c03487
