Pablo Jarillo-Herrero, experto en estudios sobre el grafeno, desarrolla su actividad investigadora actualmente en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), donde también es profesor. El reconocimiento a ambos investigadores se debe a su “trabajo pionero” con el que han logrado “tanto la fundamentación teórica como la comprobación experimental de un nuevo campo, hoy conocido como twistrónica, que permite obtener superconductividad, magnetismo y otras propiedades mediante la rotación de nuevos materiales bidimensionales como el grafeno”.

Jarillo-Herrero fue distinguido en 2023 con el Premio Alumni Plus ‘Insigne UV’ por el Consell Social de la Universitat de València, al considerar relevante su trabajo como profesor de Física en el MIT, donde desarrolla su investigación en la física experimental de la materia condensada, particularmente en el transporte electrónico cuántico y la optoelectrónica en materiales bidimensionales como el grafeno. 

Además, en el año 2020, Pablo Jarillo-Herrero recibió la Medalla de la Real Sociedad Española de Física y de la Fundación BBVA por el descubrimiento de la superconductividad en capas de grafeno, uno de los hitos más importantes de la física de materiales en los últimos años encaminado a abrir la puerta a la producción de energía eléctrica más barata y eficiente.

Es, precisamente, este último aspecto el que le ha otorgado el reconocimiento mundial, junto con el canadiense Allan MacDonald, quien ya predijo en un modelo teórico publicado en 2011 que al rotar dos capas de grafeno a un determinado ángulo, del orden de un grado, la interacción entre electrones daría lugar a nuevas propiedades emergentes. Siete años después, el español Jarillo-Herrero lideró la demostración experimental del efecto de este ‘ángulo mágico’, mediante la rotación de dos capas de grafeno que transformaron su comportamiento, generando nuevas propiedades como la superconductividad.

“Su trabajo ha abierto nuevas fronteras de la física, al demostrar que esta rotación a un determinado ángulo permite lograr un control sobre el comportamiento de la materia, obteniendo propiedades que pueden tener un gran impacto industrial”, explica la profesora María José García Borge, profesora de Investigación en el Instituto de Estructura de la Materia (IEM-CSIC) y miembro del jurado. “La superconductividad, por ejemplo, podría permitir una transmisión de electricidad sin apenas pérdidas energéticas, de manera mucho más sostenible”.

“El trabajo conjunto de ambos ha abierto un campo vastísimo para obtener materiales con nuevas propiedades emergentes de gran valor potencial, en el que están trabajando muchos grupos de investigación en todo el mundo”, resalta por su parte Luis Viña, catedrático de Física de Materiales de la Universidad Autónoma de Madrid y presidente de la Real Sociedad Española de Física, que ha sido uno de los nominadores de los premiados. “MacDonald, desde el punto de vista teórico, y Jarillo-Herrero, a través de la comprobación experimental, han sido los artífices de una nueva tecnología de vanguardia para crear configuraciones de materiales que hasta ahora no existían y pueden impulsar avances tanto en superconductividad como en la creación de nuevos dispositivos electrónicos y el desarrollo futuro de la computación cuántica”.

La predicción de una propiedad inesperada del grafeno
La fascinación científica de Allan MacDonald por los materiales bidimensionales y sus extraordinarias propiedades físicas surgió durante su estancia en el Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido junto a Klaus von Klitzing (Premio Nobel de Física en 1985). En aquel momento, en el laboratorio del prestigioso físico alemán trataban de crear materiales que les permitieran profundizar en el estudio de fenómenos como la superconductividad. Esta visión guio su carrera científica para estudiar comportamientos inusuales de las láminas de grafeno superpuestas y, posteriormente, de otros materiales también formados por finísimas capas, buscando abrir vías de acceso a un nuevo mundo de propiedades con potenciales aplicaciones tecnológicas.

Aunque la investigación de MacDonald es puramente teórica, ha enfocado su carrera para encontrar resultados trasladables a la vida real y reconoce que “el experimento es una guía fundamental para buscar una forma de comprender las propiedades observadas”.

MacDonald anticipó en 2011 una propiedad inesperada del grafeno, un material compuesto por una capa de carbono de un solo átomo de grosor. El hallazgo predecía que, al rotar una capa de grafeno sobre otra a un ángulo muy preciso, los electrones (que, en materiales convencionales, se mueven a miles de kilómetros por segundo) frenaban su velocidad hasta quedarse casi quietos. Esta ralentización tan radical abría la puerta a enormes cambios en el comportamiento del grafeno, posibilidades casi inimaginables para MacDonald cuando publicó sus resultados en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences. El investigador llamó al ángulo de 1,1º entre las capas de grafeno ángulo mágico.

Una verificación experimental que parecía “ciencia ficción”
Sin embargo, aquel descubrimiento no tuvo una gran repercusión inmediata, y hubo que esperar a que se verificara en el laboratorio para apreciar su valor real. “A la comunidad no le interesaría tanto mi área de investigación si no existiera un programa de experimentos que concretara aquella visión original”, apunta MacDonald, que insiste en que el logro de su cogalardonado es “casi ciencia ficción”.

Entretanto, Jarillo-Herrero se había interesado ya por la posibilidad de rotar capas de grafeno una sobre otra a ángulos concretos porque era algo que “nunca se había podido hacer en la historia de la física, era territorio inexplorado y por tanto tenía que dar lugar a algo interesante”. Pero el investigador valenciano no sabía cómo llevarlo a cabo en el laboratorio. Durante años, fue capaz de superponer capas de este finísimo material, pero no de elegir el ángulo entre ellas. Por fin, consiguió diseñar una manera de controlar este ángulo y de hacerlo cada vez más pequeño hasta llegar al valor “mágico” de 1,1º, y fue entonces cuando comprobó el extraordinario comportamiento al que daba lugar en el grafeno.

“Fue una sorpresa grande, porque la técnica que empleamos, que era conceptualmente sencilla, fue difícil de llevar a cabo en el laboratorio. Cogimos una lámina, como si fuera de plástico transparente de cocina pero hecha de un material que es cien mil veces más fino que un pelo. La partimos en dos trozos y, sin provocar ninguna arruga, pusimos un trozo encima de otro de manera que estuvieran perfectamente orientados”, explica.

En sendos artículos publicados en Nature en 2018, Jarillo-Herrero constató que el grafeno de ángulo mágico se vuelve o bien aislante o bien superconductor, y es posible además modificar su comportamiento con una precisión nunca vista. Su contribución se convirtió en la más citada del año en todas las áreas de conocimiento, no solo en Nature sino en todas las revistas de su grupo editorial. La técnica que desarrollaron permite hoy superponer capas de materiales bidimensionales a cualquier ángulo elegido, dando lugar a todo tipo de propiedades físicas novedosas.

El gran potencial de reproducir cualquier propiedad de la materia con grafeno
El impacto de este hallazgo, según explican los galardonados, no ha hecho más que empezar. Rotando capas de materiales bidimensionales una sobre otra a ángulos diferentes “podemos hacer realidad todos los comportamientos de la materia que existen: no solamente aislantes y superconductores, sino también magnetismo y muchísimos otros comportamientos complejos”, explica Jarillo-Herrero. Hasta ahora, precisa, se necesitaban diferentes elementos de la tabla periódica para observar toda esta gama de propiedades, mientras que el grafeno permite verlos todos en uno: el carbono. Este elemento se convierte en una “piedra filosofal inversa”, asegura el investigador, ya que, en lugar de convertir cualquier material en oro, es el grafeno el que adopta el comportamiento de cualquier otro material.

Sin embargo, para poder llevar todo este conocimiento a aplicaciones industriales, un primer paso esencial será diseñar mejores maneras de fabricar capas de grafeno con orientaciones preestablecidas. El proceso actual es tan artesanal que se tardan semanas o incluso meses en generar uno solo de estos dispositivos, y quienes se dedican a ello son “como monjes medievales haciendo un manuscrito”, a juicio de Jarillo-Herrero. “No tenemos una imprenta que nos permita fabricar miles y millones de dispositivos iguales de una vez, y obtenerla requerirá mucho trabajo de investigación en ingeniería básica por el que ya hay un cierto interés en la comunidad”.

Los futuros avances que permitan entender mejor cómo se generan los diversos comportamientos de la materia a partir del grafeno ayudarán a diseñar nuevos materiales con propiedades nunca vistas. “Una de las aplicaciones más probables —afirma MacDonald— es un nuevo tipo de dispositivos, que controlan la transferencia de información entre los ordenadores y los cables de fibra óptica. Es una tecnología muy prometedora, y estos materiales son los mejores candidatos para lograr un control eléctrico de las propiedades ópticas”. Así, una “imprenta” de láminas de grafeno rotadas a diferentes ángulos permitirá comprobar la prevista utilidad de estos materiales para las tecnologías cuánticas como la computación o los sensores, y ciertos tipos de inteligencia artificial, con un coste energético mucho menor que el actual.