Los reyes de cristal

Dos investigadores japoneses suministran a los físicos del mundo una joya que ha acelerado el auge de la electrónica del grafeno

El olor a metal acre llena el aire mientras Takashi Taniguchi llega al núcleo de una de las prensas hidráulicas más poderosas del mundo. Esta máquina de siete metros de altura puede convertir carbono en diamantes, pero hoy en día no están en su menú. En cambio, Taniguchi y su colega Kenji Watanabe lo están utilizando para cultivar algunas de las gemas más deseadas en el mundo de la física.

Desde hace ocho días, dos yunques de acero trituran una mezcla en polvo de compuestos dentro de la prensa a temperaturas de más de 1.500 °C y hasta 40.000 veces la presión atmosférica. Ahora, Taniguchi ha abierto la máquina y el agua refrigerante gotea de sus entrañas. Saca el premio que gotea, un cilindro de 7 centímetros de ancho, y comienza a picar sus capas exteriores con un cuchillo para deshacerse del metal sobrante que había ayudado a regular las presiones y temperaturas. "Los últimos pasos son como cocinar", dice, concentrándose intensamente en sus herramientas. Finalmente, revela una cápsula de molibdeno no mucho más grande que un dedal. Lo mete en un tornillo de banco y lo agarra con una llave del tamaño de su antebrazo. Con un giro, la cápsula se fractura y libera una ráfaga de exceso de polvo en el aire. Todavía incrustados dentro de la cápsula hay cristales brillantes, transparentes y de tamaño milimétrico conocidos como nitruro de boro hexagonal (hBN).

Los laboratorios de materiales de todo el mundo quieren lo que Taniguchi y Watanabe están fabricando aquí en el Laboratorio de Tecnología Extrema, un edificio en el frondoso campus del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales (NIMS) en Tsukuba, en las afueras de Tokio. Durante la última década, la pareja japonesa ha sido los principales creadores y proveedores del mundo de hBN ultrapuro, que envían a cientos de grupos de investigación sin costo alguno.

Han sacrificado gran parte de su propia investigación y casi todo el tiempo de funcionamiento de su prensa para esta tarea. Pero al hacerlo, han acelerado uno de los campos de investigación más interesantes en la ciencia de los materiales: el estudio del comportamiento electrónico en materiales 2D como el grafeno, láminas de carbono de un solo átomo de espesor. Estos sistemas están entusiasmando a los físicos con conocimientos fundamentales sobre algunos de los efectos electrónicos más exóticos del mundo cuántico, y algún día podrían conducir a aplicaciones en computación cuántica y superconductividad (electricidad conducida sin resistencia).

Es fácil producir grafeno mediante el uso de cinta adhesiva para descascarar capas de carbono de la mina de un lápiz (grafito). Pero para estudiar las complejas propiedades electrónicas de este material, los investigadores deben colocarlo en una superficie excepcional: un soporte protector perfectamente plano que no interfiera con los rápidos electrones del grafeno. Ahí es donde entra en juego el hBN como capa inferior o sustrato transparente. "Hasta donde hemos investigado, ese es el sustrato más ideal para albergar grafeno u otros dispositivos 2D", dice Cory Dean, físico de materia condensada de la Universidad de Columbia en la ciudad de Nueva York, que formó parte del equipo que trabajó por primera vez. cómo emparejar hBN y grafeno. "Simplemente protege el grafeno del medio ambiente de una manera hermosa".

Cuando una escama de hBN entra en contacto con el grafeno, también puede actuar como una película adhesiva, lo que permite levantar con precisión la lámina de carbono y volver a colocarla. Eso permite a los investigadores crear dispositivos apilando múltiples capas de materiales 2D, como un sándwich (ver 'Sándwich de grafeno').

Desde el año pasado, por ejemplo, los científicos de materiales han estado hablando sobre el hallazgo de que simplemente desalineando dos láminas de grafeno exactamente 1,1° (un "ángulo mágico") el material puede convertirse en un superconductor a temperaturas muy bajas. Y en julio, los investigadores informaron signos de superconductividad cuando se apilan tres láminas de grafeno una encima de otra, sin necesidad de girarlas. Estos estudios de investigación, como cientos de otros, utilizaron astillas de hBN de Taniguchi y Watanabe para proteger sus muestras. “Simplemente estamos involucrados”, dice modestamente Taniguchi. "Para nosotros es una especie de subproducto". Dean es más efusivo sobre el hBN de la pareja: "Es realmente el héroe anónimo del proceso", dice. "Está en todas partes."

Ni Taniguchi ni Watanabe son investigadores del grafeno y no tenían idea de que sus gemas llegarían a ser tan deseables. Los investigadores ahora tienen varias patentes relacionadas con su proceso de fabricación de hBN, pero dicen que no esperan poder comercializarlo; por el momento, sólo los grupos de investigación necesitan los cristales de mayor pureza. Sin embargo, existe una ventaja considerable. Debido a que a ambos se les atribuye la autoría de estudios que utilizan sus cristales, se han convertido en uno de los investigadores más publicados del mundo. Juntos, Taniguchi y Watanabe aparecieron como autores de 180 artículos el año pasado y, desde 2011, han sido coautores de 52 artículos en Science and Nature, lo que los convierte en los investigadores más prolíficos en estas revistas durante los últimos 8 años (ver 'Cristales en demanda').

Es posible que su imperio del cristal no dure para siempre: Taniguchi se acerca a la edad de jubilación y otros grupos de investigación están intentando fabricar hBN de alta calidad, lo que podría ayudar a mejorar el suministro y acelerar la investigación. Pero por ahora, los físicos se muestran algo reacios a probar muestras no probadas cuando saben que los NIMS funcionan tan bien, dice Philip Kim, destacado físico de materia condensada de la Universidad de Harvard en Cambridge, Massachusetts. “¿Por qué Watanabe y Taniguchi? Porque su cristal es el mejor”.

La enorme prensa hidráulica vive en un espacio industrial cavernoso en el laboratorio de Tsukuba, que está lleno del zumbido continuo de la maquinaria y la luz que entra desde las altas ventanas, proyectando rayos polvorientos sobre el equipo de abajo. La máquina fue construida entre 1982 y 1984, cuando el laboratorio formaba parte del Instituto Nacional de Investigación en Materiales Inorgánicos (NIRIM), uno de los precursores del NIMS. Taniguchi llegó cinco años después, tras dejar un puesto postdoctoral en el Instituto de Tecnología de Tokio. La prensa fue diseñada originalmente para fabricar diamantes, pero en la década de 1990, el gobierno de Japón se embarcó en un programa de investigación denominado "Más allá del diamante" para encontrar el próximo gran avance en materiales ultraduros, potencialmente para cortar sustancias o para uso en semiconductores.

Uno de los principales candidatos del programa fue el nitruro de boro en su forma de cristal cúbico (cBN), una estructura densa en la que los átomos de boro y nitrógeno están dispuestos como los átomos de carbono del diamante. Inicialmente, Taniguchi se centró en cultivar cBN ultrapuro en la prensa, pero su grupo no pudo eliminar las impurezas, trozos perdidos de carbono y oxígeno que se introdujeron cuando se estaban preparando las muestras, por lo que los cristales salieron con un tono marrón opaco no deseado. . Sin embargo, como subproducto, el proceso produjo hBN transparente, en el que capas de átomos dispuestos hexagonalmente se deslizan fácilmente entre sí, de forma análoga a las capas de carbono en el grafito.

Watanabe, científico de materiales y espectroscopista, se unió a NIRIM en 1994, justo cuando comenzaba el programa Beyond Diamond. Pasó algunos años estudiando las propiedades ópticas de los diamantes. Pero en medio de un impulso de todo el instituto para la colaboración interdisciplinaria en 2001, Taniguchi llamó a la puerta de Watanabe y lo invitó a echar un vistazo a sus cristales de cBN.

Los dos investigadores tienen estilos contrastantes. Taniguchi es conocido por sus fiestas, pone la música de Queen a todo volumen en el laboratorio mientras dirige la prensa a altas horas de la noche e, incluso a los 60 años, todavía juega fútbol con sus colegas a la hora del almuerzo. Watanabe, tres años menor, habla con suavidad, es detallista y prefiere el tenis. Pero los científicos trabajaron bien juntos y publicaron su primer artículo sobre cristales de cBN en 2002.

Un año después, Watanabe, quejándose de la calidad del cBN que le pasaba Taniguchi, echó un vistazo a una caja de descartes de la prensa. Los cristales de hBN le llamaron la atención y decidió examinar sus propiedades. Taniguchi se mostró escéptico: “Dije: '¡Esto es hBN, lo aburrido!'”. Watanabe, sin embargo, descubrió algo nuevo: el hBN brillaba bajo luz ultravioleta, a diferencia del diamante o cBN que había estado observando durante años. "Fue el momento más emocionante de mi carrera", dice, un hallazgo que lo dejó emocionado durante semanas. Ambos informaron de ese resultado en mayo de 2004, proponiendo que el hBN podría ser un cristal prometedor para los láseres UV.

Más tarde ese año, comenzó a circular una preimpresión del físico Andre Geim y su equipo de la Universidad de Manchester, Reino Unido. Habían aislado con éxito capas de grafeno de un solo átomo, iniciando la locura por los materiales 2D atómicamente delgados. El frenesí de actividad fue algo que Taniguchi y Watanabe observaron con curiosidad. "No teníamos ni idea de los materiales 2D", afirma Taniguchi. Pero media década después, los investigadores de materiales 2D descubrirían su existencia.

En 2009, el campo del grafeno se encontraba con un problema. En teoría, el material era extraordinario, pero los investigadores estaban luchando por aprovechar todo su potencial. El problema parecía ser que el grafeno, al tener un solo átomo de espesor, se adapta a la forma de cualquier superficie sobre la que se coloque. La planitud que hace único al material se pierde si este sustrato no es igualmente plano. Además, debido a que el grafeno es tan delgado, los electrones que lo atraviesan están, esencialmente, en contacto con el sustrato sobre el que descansa. Eso significa que el sustrato debe ser increíblemente puro: cualquier impureza hará que los electrones se dispersen, reduciendo la movilidad de los electrones. Los sustratos estándar de óxido de silicio no eran lo suficientemente buenos y parecían limitar el rendimiento del grafeno.

James Hone, ingeniero mecánico de la Universidad de Columbia, y su entonces postdoctorado Cory Dean tenían en mente un sustrato mejor: hBN. Es atómicamente plano y además tiene una amplia banda prohibida, es decir, una gran barrera de energía que impide que los electrones unidos a los átomos salten a un estado móvil y conductor. Eso convierte al hBN en un buen aislante.

Por casualidad, otro de los posdoctorados de Hone, Changgu Lee, tenía algo de experiencia con este material. Estaba estudiando las propiedades mecánicas y eléctricas de materiales 2D y ya había obtenido muestras de hBN de una empresa comercial que fabricaba hBN para la industria cosmética; Algunos delineadores de ojos contienen hasta un 25% de nitruro de boro. Un día, mientras los tres estaban sentados afuera del edificio del departamento comiendo sándwiches, Hone sugirió que Lee le diera a Dean algo de su hBN para que pudiera intentar usarlo como sustrato de grafeno. Lee estaba feliz de hacerlo, pero agregó que había leído en la literatura sobre una opción potencialmente de mayor calidad: los cristales de hBN más grandes y puros producidos en NIMS por Taniguchi y Watanabe. Sólo había un problema: ya se había puesto en contacto con ellos antes, pero las comunicaciones se habían interrumpido. Hone sugirió pedirle a Philip Kim, “el tipo más famoso del grafeno”, como dice Lee, y miembro de la facultad de Columbia en ese momento, que les escribiera una solicitud.

Esto funcionó y Kim, Lee y Dean se convirtieron en los primeros usuarios externos de los cristales NIMS para la investigación del grafeno. Dean tardó un año, en colaboración con los estudiantes de doctorado Andrea Young e Inanc Meric, en descubrir cómo poner en contacto consistentemente escamas de grafeno y hBN entre sí. Pero los resultados fueron sorprendentes. Basándose en las muestras NIMS hBN, la rugosidad del grafeno se redujo en dos tercios en comparación con el grafeno sobre un sustrato de óxido de silicio, y la movilidad de los electrones fue de 10 a 100 veces mejor.

El equipo presentó sus hallazgos en la conferencia anual Graphene Week en abril de 2010 en la Universidad de Maryland en College Park, y "a todos se les abrieron los ojos", dice Kim. "Fue una sensación". Al instante, todos quisieron saber cómo obtener el hBN, incluido Geim, que compartió el Premio Nobel de Física ese año por su trabajo sobre el grafeno. Le envió un correo electrónico a Kim con una pregunta: “Philip: ¿cuál es la fuente?”

Taniguchi y Watanabe se vieron repentinamente inundados de consultas y solicitudes de muestras. Pero cuando Geim, un competidor de Kim, les preguntó, dudaron en responder. "Las cosas podrían haberse complicado", afirma Taniguchi. "Hicimos el cristal y ellos encontraron la propiedad". Le preguntó a Kim: ¿estaría bien abastecer a otros grupos, incluidos sus competidores directos? "Por supuesto", dijo Kim. “Un pequeño grupo de investigación en Columbia no debería monopolizar su cristal”, recuerda Taniguchi que dijo.

Hoy, Taniguchi y Watanabe tienen acuerdos para abastecer a más de 210 instituciones en todo el mundo. Taniguchi prepara los cristales para publicarlos en una oficina en el perímetro del laboratorio, donde hay pilas de bandejas de plástico transparente que contienen lotes de muestras esparcidas alrededor de los microscopios en un mostrador. El lote actual de Taniguchi es el número 942, el último en sus registros, que se remontan a más de una década. El peso total de los cristales en cada paquete (que contiene cuatro muestras diferentes de cuatro tiradas de la prensa) es aproximadamente un gramo. Pero eso puede mantener en funcionamiento a todo un grupo de investigación durante un año.

Taniguchi y Watanabe no piden explícitamente ser coautores plenos de los artículos, afirman. Para recibir las muestras, los usuarios firman un acuerdo de transferencia de materiales con NIMS. Muchos investigadores dicen que el estatus de coautoría de la pareja refleja la importancia de los productores de muestra en el campo. "Sin sus muestras, sin su participación, no creo que lo que estamos haciendo se pueda hacer en este momento, por lo que compartir las autorías es realmente bien merecido", dice Kim.

La peor parte de la operación de suministro es el papeleo, afirma Watanabe. "Es una carga dura, muy pesada", dice. Los autores del NIMS deben presentar informes individuales a sus supervisores cuando envían un artículo, cuando se acepta y cuando se publica. Watanabe, el socio menor y el más detallista de los dos, asume la tarea. Utiliza una aplicación en su computadora portátil para realizar un seguimiento de los artículos y preimpresiones de la pareja, que ahora suman más de 700.

En la mayoría de los estudios, la interacción de Taniguchi y Watanabe se limita a suministrar los cristales y, esperan, obtener comentarios de esos grupos sobre la calidad del cristal. No todo el mundo se toma el tiempo para responder, dice Taniguchi, para su decepción. Pero su trabajo con los miembros del grupo original de Columbia (y los grupos de segunda generación que los antiguos estudiantes de Columbia lanzaron cuando establecieron sus propios laboratorios en otros lugares) sigue siendo una verdadera colaboración. "Han sido socios fenomenales en este proceso", dice Dean. "Han trabajado con nosotros tanto para proporcionar nitruro de boro como para tratar de descubrir cómo hacer las cosas más limpias y hacer una variedad de cosas que sean interesantes para nosotros".

Después de la presentación de la Semana del Grafeno de 2010, por ejemplo, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Kim llamado Pablo Jarillo-Herrero fue la primera persona en pedir cristales a la pareja japonesa. Ahora dirige el equipo del Instituto Tecnológico de Massachusetts en Cambridge que el año pasado informó sobre superconductividad en capas dobles retorcidas de grafeno, una configuración protegida por dos capas de hBN de Taniguchi y Watanabe. Y cuando la física Rebeca Ribeiro-Palau dejó el grupo de Dean en 2017 para dirigir su propio equipo en el Centro de Nanociencia y Nanotecnología en Palaiseau, Francia, inmediatamente se puso en contacto con la pareja japonesa. “Colaborar con ellos fue el primer paso, incluso antes de abrir el laboratorio”, dice.

El grafeno no es el único material 2D que se beneficia del hBN, añade Ribeiro-Palau. También se han apilado y retorcido capas de materiales más complejos llamados dicalcogenuros de metales de transición, por ejemplo, para modificar sus propiedades electrónicas, algo que nuevamente requiere hBN. “Es exactamente lo que necesitas para encapsular los materiales, protegerlos, darles diferentes propiedades y cambiar el espacio entre capas. Usamos nitruro de boro para casi todo”, afirma Ribeiro-Palau.

Cada vez hay más indicios de que hBN puede asumir más que un papel de apoyo en dichos dispositivos. Alinear la estructura hexagonal del hBN con una de las capas de grafeno retorcido puede romper la simetría de las láminas de grafeno, alterando la forma en que interactúan los electrones, según preimpresiones separadas publicadas este año por equipos dirigidos, respectivamente, por David Goldhaber-Gordon de la Universidad de Stanford en California. y Andrea Young, ahora en la Universidad de California, Santa Bárbara.

El nitruro de boro hexagonal también está siendo reconocido como un material 2D fascinante por derecho propio. Bañada en luz infrarroja, hBN actúa como una hiperlente: puede enfocar la luz y crear imágenes más nítidas de lo que permite la física clásica. Y tiene potencial como material que puede emitir fotones individuales, una función útil para la criptografía cuántica. El hallazgo de Watanabe de que el material podría ser útil como láser UV todavía recibe atención, y su principal objetivo de investigación sigue siendo descubrir cómo sucede esto.

Parte de este trabajo se realiza utilizando hBN cultivado mediante métodos que producen muestras de menor calidad, como depositar el cristal en una película delgada de un vapor químico, que no requiere altas presiones. Pero para los investigadores del grafeno, los cristales de Taniguchi y Watanabe siguen siendo los preferidos. "A lo largo de los años, probamos otras cuatro o cinco fuentes de hBN y todas fueron basura", dice Geim. La escasez de hBN de alta pureza dificulta el progreso en la investigación mundial del grafeno, afirma.

Otros equipos están empezando a ponerse al día. Un grupo liderado por el ingeniero químico James Edgar de la Universidad Estatal de Kansas en Manhattan ha estado cerca de lograr la calidad necesaria para rivalizar con el proceso de Taniguchi y Watanabe, señala Geim. Edgar dice que no es fácil duplicar el trabajo del equipo japonés porque tienen una prensa gigante y costosa. Pero sus muestras, obtenidas mediante un proceso más simple (y mucho más barato) que implica un horno alimentado con nitruro de boro y un disolvente de níquel-cromo en forma de polvo, son "tan buenas o casi tan buenas" para fines de investigación del grafeno, afirma. Sin embargo, actualmente tienen diez veces más defectos o imperfecciones cristalinas en su estructura.

Taniguchi, por su parte, disfruta la perspectiva de tener retadores a su corona y la oportunidad de empujarse unos a otros para cultivar cristales más puros y perfectos. "Estamos luchando para mejorar nuestros sistemas", dice, "pero necesitamos muchos colaboradores y también competidores".

En julio de este año, Taniguchi cumplió 60 años, la edad a la que los investigadores del NIMS se jubilan. Esa era una preocupación para Kim. “Le dije: 'Oye, Takashi, todo el campo de la investigación 2D está en peligro ahora. ¡Así que deberíamos hacer algo!'” Afortunadamente para el campo 2D, NIMS le concedió un respiro a Taniguchi: a principios de este año, lo ascendieron a un puesto de compañero, lo que le permite trabajar hasta los 65 años. Aún no ha desarrollado un plan de sucesión, o identificó a un protegido.

Por ahora, sigue al frente de la prensa en solitario. De regreso a su laboratorio, prepara el siguiente lote, el número 943, llenando una cápsula nueva del tamaño de un dedal con discos blancos de nitruro de boro del tamaño de pastillas de menta. En el medio, coloca una capa de nitruro de bario y otros compuestos de bario, que se disuelven junto con el nitruro de boro y actúan como disolvente y catalizador para ayudar al crecimiento del cristal y absorber impurezas.

Taniguchi se muestra cauteloso acerca de la receta exacta: esta es su salsa secreta y le gusta cambiar la composición de la capa de bario de un lote a otro. "Usar siempre la misma receta no es tan divertido", afirma. Para los usuarios nuevos, enviará algunos cristales de referencia, pero para los usuarios veteranos, quiere comentarios sobre cada pequeño cambio en el proceso. Al medir la movilidad de los electrones en el grafeno, pueden detectar impurezas en el hBN subyacente con más sensibilidad que la que pueden medir Taniguchi y Watanabe. Al principio nadie tenía quejas sobre sus cristales. Sólo en los últimos dos años, dice Taniguchi, los investigadores han comenzado a informar sobre impurezas que afectan sus resultados, como resultado de haber superado los límites del material. Y eso motiva a Taniguchi a mejorar. "Soy un productor de cristales", dice con orgullo.

Sube a la plataforma de la prensa y se agacha en las mandíbulas de la máquina para colocar la nueva cápsula. Volviendo a los controles: unas cuantas pulsaciones de botones, el yunque inferior comienza a elevarse del suelo para golpear el núcleo. Mientras una lectura digital roja cuenta la distancia, Taniguchi limpia un poco de suciedad de la consola con un pañuelo de papel.

A pesar de décadas de trabajo cultivando cristales en la prensa, todavía queda mucho por descubrir sobre la física fundamental de cómo funciona el proceso, dice. Lo que realmente sucede dentro de esa cápsula cuando la prensa cierra sigue siendo un misterio. “Nadie sabe cómo medirlo, cómo pensar en lo que está pasando, en cómo crece el cristal. Es sólo imaginación”.

Este artículo se reproduce con autorización y se publicó por primera vez el 21 de agosto de 2019.

Meghan Bartels

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Timothy Kundro, Samir Nurmohamed, Hemant Kakkar y Salvatore Affinito | opinión

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