‘Twistronica’: el rincón mágico del grafeno y la antipiedra filosofal

Ante nosotros se encuentra probablemente una de las historias más fascinantes de los últimos y más fructíferos años de investigación en física cuántica y desarrollo de materiales avanzados: la rotación (giro mínimo) en láminas de grafeno de espesor atómico ha creado un ángulo mágico (así lo llaman en física) que nos sitúa ante la posibilidad de dar forma a diferentes materiales.

La ciencia nunca es mágica, pero a veces lo parece.

recompensa de lluvia

El Premio Fronteras del Conocimiento de la Fundación BBVA, en la categoría de ciencias básicas, ha recaído este año en dos físicos, el canadiense Alan McDonald y el español Pablo Jarrillo-Herrera (profesor del MIT), por su contribución al campo de la llamada “twisttrónica”. También este año 2026, el premio más importante de física (después del Nobel), el Premio Kavli de Nanociencia, fue concedido a esos mismos científicos junto con la física Eva I. Andrei (rumana) “por su trabajo fundamental sobre el establecimiento de la “twistrónica”.

Pero esta historia comienza en 2009, cuando el grupo de investigación de Andrei descubrió un fenómeno interesante mientras investigaban el grafeno. Las primeras aplicaciones prácticas desarrolladas con este nanomaterial ya le valieron el Premio Nobel en 2010.

Compuesto por una única capa de átomos de carbono dispuestos en forma hexagonal (como un panal), es el primer material bidimensional conocido, increíblemente resistente y ligero.

Fue el descubrimiento del sustrato de níquel lo que creó el gran avance

Según la receta más extendida entonces para su producción, los científicos obtuvieron monocapas cultivándola sobre un sustrato de cobre. Pero necesitaban una cantidad mayor para poder experimentar más cosas. Luego de utilizar níquel como sustrato, notaron que se creaban dos capas, pero con una ligera separación (“retorcida”) entre las estructuras de carbono de ambas. Sólo un poco más de un grado.

Cuando llevaron la muestra a un microscopio de efecto túnel, notaron un “enorme patrón muaré” creado por láminas de grafeno desplazadas entre sí. Un patrón muaré (o efecto muaré) es casi una ilusión óptica, un patrón de interferencia geométrica. Ocurre cuando dos patrones similares de líneas, puntos o patrones se superponen pero están ligeramente desplazados. El resultado genera extrañas formas onduladas, ondas o bandas.

Pero lo más sorprendente fue que descubrieron que este pequeño ángulo de desplazamiento que creaba los patrones modificaba significativamente el comportamiento de los electrones en el material, dando lugar a propiedades inesperadas. Ese descubrimiento completamente accidental llegó directamente a la publicación Nature.

Matemáticas del ángulo mágico

El físico teórico Alan McDonald leyó este artículo y comenzó a desarrollar una teoría matemática que podría explicar este fenómeno. Así se comprobó que, efectivamente, este ángulo (al que llamaron “ángulo mágico”) determina los periodos del patrón Moiré y, por tanto, posibles diferentes propiedades (dependiendo del ángulo).

Con una torsión de aproximadamente 1,1 grados, el material podría ser superconductor. Pero con diferentes ángulos se pueden esperar diferentes propiedades (material completamente aislante o uno con propiedades magnéticas). El descubrimiento fue publicado en 2011 en la revista PNAS, pero durante varios años pasó desapercibido, fuera del interés científico, porque parecía imposible producir experimentalmente estas capas “separadas” de grafeno.

Y llegó el “twipage”.

El término “twisttronics” fue acuñado en 2016, apareciendo por primera vez en un artículo científico (también teórico) en Physical Review B. Amplió los modelos matemáticos a estructuras distintas al grafeno y otros materiales. La nueva palabra combina “twist” y “electronica”.

Pero el impulso definitivo a la tecnología lo dio el español Pablo Jarrillo-Herrero y su grupo de investigación en el MIT. Jarillo-Herrero logró cruzar el camino de musa a teatro.

‘Twist’ se hizo material

En marzo de 2018, publicaron simultáneamente dos artículos en Nature demostrando que son capaces de producir grafeno multicapa, con diferentes condiciones de rotación y de contorno. Consiguieron obtener un material completamente aislante o superconductor, según el ángulo de rotación. Así, demostraron que todas las predicciones teóricas eran perfectamente demostrables a escala de laboratorio.

Esto ha hecho que la twisttronics se vuelva viral en el mundo de la física, los nanomateriales y, en general, el mundo de la ciencia de los materiales.

Una vez más, un acontecimiento relacionado con la ciencia fundamental ha abierto la puerta a importantes consecuencias para nuestra sociedad.

La piedra antifilosofal

Jarillo-Herrero presentó en la entrega de premios de la Fundación BBVA el concepto de “antipiedra filosofal” relacionado con la twisttrónica:

“En la Edad Media, los alquimistas buscaban una piedra filosofal que convirtiera en oro todo lo que tocara. El grafeno de ángulo mágico es un poco así, excepto que es como una piedra filosofal al revés. Con el grafeno de ángulo mágico, tomamos un material y hacemos que se comporte como muchos otros materiales”.

Con la twisttronics, al igual que con los metamateriales, al cambiar la configuración de un mismo material, cambiamos drásticamente sus propiedades.

Tras la señal inicial de esos dos artículos en Nature, la twisttronics empezó a crecer en diferentes direcciones: primero hacia las tres capas de grafeno, luego hacia materiales multicapa, tridimensionales… Por supuesto, el fenómeno ya se está estudiando en materiales distintos al grafeno: dicógenuros de metales de transición (TMD) para su aplicación en dispositivos láser optoelectrónicos avanzados o lov-tum cuántico; nitruro de boro hexagonal (h-BN) para crear memorias de acceso aleatorio ferroeléctricas ultrafinas (FeRAM); Óxidos complejos de estructura de perovskita de capa fina y otras perovskitas superconductoras para aplicaciones en computación cuántica.

Materiales prioritarios de la UE

Los materiales desarrollados por la twisttronics tienen potencial para abarcar muchas tecnologías que hoy se consideran de gran importancia para nuestro desarrollo como sociedad: la ya mencionada computación cuántica, la optoelectrónica y fotónica, la electrónica de bajo consumo y los sensores magnéticos de alta precisión. Todos estos materiales pertenecen a la clasificación de “nanomateriales y materiales 1D y 2D” que se incluyen como materiales prioritarios a desarrollar en las futuras transiciones de la Unión Europea.

El principal problema en el desarrollo de todas estas tecnologías es su escalamiento en la industria. Se necesitarán años para producir este tipo de material a gran escala. Pero quién sabe si la irrupción de la inteligencia artificial en este campo acercará este avance a nuestros días.