Pablo Jarillo-Herrero, expert en estudis sobre el grafè, desenvolupa la seua activitat investigadora actualment a l’Institut Tecnològic de Massachusetts (MIT), on també és professor. El reconeixement a tots dos investigadors es deu al seu “treball pioner” amb el qual han aconseguit “tant la fonamentació teòrica com la comprovació experimental d’un nou camp, avui conegut com twistrònica, que permet obtenir superconductivitat, magnetisme i altres propietats mitjançant la rotació de nous materials bidimensionals com el grafè”.

Jarillo-Herrero va ser distingit en 2023 amb el Premi Alumni Plus Insigne UV pel Consell Social de la Universitat de València, que considerava rellevant el seu treball com a professor de Física al MIT, on desenvolupa la seua investigació en la física experimental de la matèria condensada, particularment en el transport electrònic quàntic i l’optoelectrònica en materials bidimensionals com el grafè.

A més, l’any 2020 Pablo Jarillo-Herrero va rebre la Medalla de la Reial Societat Espanyola de Física i de la Fundació BBVA pel descobriment de la superconductivitat en capes de grafè, una de les fites més importants de la física de materials en els últims anys encaminada a obrir la porta a la producció d’energia elèctrica més barata i eficient.

És, precisament, aquest últim aspecte el que li ha atorgat el reconeixement mundial, juntament amb el canadenc Allan MacDonald, que ja va predir en un model teòric publicat el 2011 que en girar dues capes de grafè a un determinat angle, de l’ordre d’un grau, la interacció entre electrons donaria lloc a noves propietats emergents. Set anys després, l’espanyol Jarillo-Herrero va liderar la demostració experimental de l’efecte d’aquest “angle màgic” mitjançant la rotació de dues capes de grafè que van transformar el seu comportament i van generar noves propietats com la superconductivitat.

“El seu treball ha obert noves fronteres de la física, ja que demostra que aquesta rotació a un determinat angle permet aconseguir un control sobre el comportament de la matèria i obtenir propietats que poden tenir un gran impacte industrial”, explica María José García Borge, professora d’Investigació en l’Institut d’Estructura de la Matèria (IEM-CSIC) i membre del jurat. “La superconductivitat, per exemple, podria permetre una transmissió d’electricitat sense quasi pèrdues energètiques, de manera molt més sostenible”.

“El treball conjunt de tots dos ha obert un camp vastíssim per a obtenir materials amb noves propietats emergents de gran valor potencial, en el qual estan treballant molts grups de recerca a tot el món”, ressalta Luis Viña, catedràtic de Física de Materials de la Universitat Autònoma de Madrid i president de la Reial Societat Espanyola de Física, que ha sigut una de les persones que ha nominat els premiats. “MacDonald, des del punt de vista teòric, i Jarillo-Herrero, a través de la comprovació experimental, han sigut els artífexs d’una nova tecnologia d’avantguarda per a crear configuracions de materials que fins ara no existien i poden impulsar avanços tant en superconductivitat com en la creació de nous dispositius electrònics i el desenvolupament futur de la computació quàntica”.

La predicció d’una propietat inesperada del grafè
La fascinació científica d’Allan MacDonald pels materials bidimensionals i les seues extraordinàries propietats físiques va sorgir durant la seua estada a l’Institut Max Planck per a la Investigació de l’Estat Sòlid al costat de Klaus von Klitzing (premi Nobel de Física en 1985). En aquell moment, al laboratori del prestigiós físic alemany tractaven de crear materials que els permeteren aprofundir en l’estudi de fenòmens com la superconductivitat. Aquesta visió va guiar la seua carrera científica per a estudiar comportaments inusuals de les làmines de grafè superposades i, posteriorment, d’altres materials també formats per finíssimes capes, amb la intenció d’obrir vies d’accés a un nou món de propietats amb potencials aplicacions tecnològiques.

Encara que la investigació de MacDonald és purament teòrica, ha enfocat la seua carrera a trobar resultats traslladables a la vida real i reconeix que “l’experiment és una guia fonamental per a buscar una manera de comprendre les propietats observades”.

MacDonald va anticipar en 2011 una propietat inesperada del grafè, un material compost per una capa de carboni d’un sol àtom de gruix. La troballa predeia que, en girar una capa de grafè sobre una altra a un angle molt precís, els electrons (que, en materials convencionals, es mouen a milers de quilòmetres per segon) frenaven la velocitat fins a quedar-se quasi quiets. Aquest alentiment tan radical obria la porta a enormes canvis en el comportament del grafè, possibilitats quasi inimaginables per a MacDonald quan va publicar els seus resultats en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences. L’investigador va anomenar l’angle d1,1° entre les capes de grafé angle màgic.

Una verificació experimental que semblava ciència-ficció
No obstant això, aquell descobriment no va tenir una gran repercussió immediata, i va haver d’esperar que es verificara al laboratori per a apreciar-ne el valor real. “A la comunitat no li interessaria tant la meua àrea d’investigació si no hi haguera un programa d’experiments que concretara aquella visió original”, apunta MacDonald, que insisteix que l’assoliment del seu coguardonat és “quasi ciència-ficció”.

Mentrestant, Jarillo-Herrero s’havia interessat ja per la possibilitat de girar capes de grafè una sobre una altra a angles concrets perquè era una cosa que “mai s’havia pogut fer en la història de la física, era territori inexplorat i, per tant, havia de donar lloc a una cosa interessant”. Però l’investigador valencià no sabia com dur-ho a terme al laboratori. Durant anys, va ser capaç de superposar capes d’aquest finíssim material, però no de triar l’angle entre aquestes. Per fi, va aconseguir dissenyar una manera de controlar aquest angle i de fer-lo cada vegada més xicotet fins a arribar al valor “màgic” d’1,1°, i va ser llavors quan va comprovar l’extraordinari comportament al qual donava lloc en el grafè.

“Va ser una sorpresa gran, perquè la tècnica que emprem, que era conceptualment senzilla, va ser difícil de dur a terme al laboratori. Vam agafar una làmina, com si fora de plàstic transparent de cuina però feta d’un material que és cent mil vegades més fi que un pèl. La partírem en dos trossos i, sense provocar cap arruga, vam posar un tros damunt d’un altre de manera que estigueren perfectament orientats”, explica.

En sengles articles publicats en Nature en 2018, Jarillo-Herrero va constatar que el grafè d’angle màgic es torna o bé aïllant o bé superconductor, i és possible, a més, modificar-ne el comportament amb una precisió mai vista. La seua contribució es va convertir en la més citada de l’any en totes les àrees de coneixement, no sols en Nature sinó en totes les revistes del seu grup editorial. La tècnica que van desenvolupar permet avui superposar capes de materials bidimensionals a qualsevol angle triat, cosa que dona lloc a tota mena de propietats físiques noves.

El gran potencial de reproduir qualsevol propietat de la matèria amb grafè
L’impacte d’aquesta troballa, segons afirmen els guardonats, no ha fet més que començar. Girant capes de materials bidimensionals una sobre una altra a angles diferents “podem fer realitat tots els comportaments de la matèria que existeixen: no solament aïllants i superconductors, sinó també magnetisme i moltíssims altres comportaments complexos”, assenyala Jarillo-Herrero. Fins ara, precisa, es necessitaven diferents elements de la taula periòdica per a observar tota aquesta gamma de propietats, mentre que el grafè permet veure’ls tots en un: el carboni. Aquest element es converteix en una “pedra filosofal inversa”, assegura l’investigador, ja que, en comptes de convertir qualsevol material en or, és el grafè el que adopta el comportament de qualsevol altre material.

En canvi, per a poder portar tot aquest coneixement a aplicacions industrials, un primer pas essencial serà dissenyar millors maneres de fabricar capes de grafè amb orientacions preestablides. El procés actual és tan artesanal que es tarden setmanes o, fins i tot, mesos a generar un només d’aquests dispositius, i les persones que es dediquen a això són “com monjos medievals fent un manuscrit”, segons el parer de Jarillo-Herrero. “No tenim una impremta que ens permeta fabricar milers i milions de dispositius iguals d’una vegada, i obtenir-la requerirà molt de treball de recerca en enginyeria bàsica, per la qual cosa ja hi ha un cert interès en la comunitat”.

Els futurs avanços que permeten entendre millor com es generen els diversos comportaments de la matèria a partir del grafè ajudaran a dissenyar nous materials amb propietats mai vistes. “Una de les aplicacions més probables —afirma MacDonald— és un nou tipus de dispositius que controlen la transferència d’informació entre els ordinadors i els cables de fibra òptica. És una tecnologia molt prometedora, i aquests materials són els millors candidats per a aconseguir un control elèctric de les propietats òptiques”. Així, una “impremta” de làmines de grafè girades a diferents angles permetrà comprovar la prevista utilitat d’aquests materials per a les tecnologies quàntiques com la computació o els sensors, i uns certs tipus d’intel·ligència artificial, amb un cost energètic molt menor que l’actual.