- Un giro de 1,1 grados entre dos capas de grafeno hace que el material se vuelva superconductor, aislante o magnético.
- El canadiense Allan MacDonald predijo teóricamente en 2011 este comportamiento cuántico en el llamado ángulo mágico.
- El español Pablo Jarillo-Herrero confirmó experimentalmente en 2018 el fenómeno, abriendo el campo de la twistrónica.
- El hallazgo, premiado por la Fundación BBVA, apunta a futuras aplicaciones en transmisión eléctrica eficiente y computación cuántica.
Un giro casi imperceptible, de solo 1,1 grados entre dos láminas de grafeno, ha puesto patas arriba la física de materiales. Lo que sobre el papel parece una simple rotación geométrica se ha convertido en una herramienta capaz de cambiar por completo cómo se comporta la materia, sin añadir nuevos elementos químicos ni complicar la composición del material.
Ese ajuste tan fino, bautizado como ángulo mágico del grafeno, ha dado lugar a una nueva forma de diseñar materiales desde la geometría y no desde la química. El trabajo conjunto del teórico canadiense Allan H. MacDonald y del físico valenciano Pablo Jarillo-Herrero, hoy catedrático en el MIT, ha sido reconocido con el Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en Ciencias Básicas, un galardón que muchos ven como un paso previo natural al Nobel.
El premio destaca que los dos físicos han logrado unir predicción teórica y verificación experimental para demostrar que, al apilar y girar con extrema precisión capas de materiales bidimensionales como el grafeno, aparecen propiedades colectivas totalmente nuevas. En este contexto ha nacido la twistrónica, un campo que estudia cómo la rotación entre capas ultrafinas permite obtener superconductividad, magnetismo o estados aislantes a la carta.
La idea de fondo es sencilla de enunciar, aunque muy compleja de llevar a la práctica: en lugar de cambiar el material, se cambia la forma de apilarlo. Esa pequeña libertad geométrica —el ángulo— se convierte en una especie de mando a distancia que controla cómo se mueven los electrones dentro del sólido.
De la predicción teórica al experimento: el nacimiento del ángulo mágico
La historia arranca en 2011, cuando Allan MacDonald, investigador de la Universidad de Texas en Austin, publicó un trabajo en Proceedings of the National Academy of Sciences que pasó inicialmente algo desapercibido. En ese artículo planteaba que, al superponer dos capas de grafeno y girarlas entre sí en torno a un ángulo muy preciso, de aproximadamente 1,1 grados, se produciría una ralentización extrema de los electrones.
En materiales convencionales, los electrones se desplazan a velocidades enormes; sin embargo, en el modelo de MacDonald, al alcanzar el ángulo mágico las denominadas «bandas electrónicas» se aplanan y las partículas cargadas prácticamente dejan de moverse libremente. Esa especie de frenazo hace que las interacciones entre electrones dominen la escena y puedan emerger fenómenos insólitos como la superconductividad o nuevos estados aislantes.
La clave está en el patrón moiré que surge al desalinear ligeramente dos redes atómicas casi idénticas. Las dos capas de grafeno forman una superred que reordena el paisaje de energías disponibles para los electrones. En palabras de los expertos, aparecen bandas planas donde las correlaciones electrónicas se disparan y la materia empieza a comportarse como si fuera otra cosa completamente distinta.
Durante varios años esa propuesta se consideró una predicción elegante pero difícil de comprobar. No bastaba con tener grafeno —un material de un solo átomo de grosor, descubierto en 2004—; era necesario controlar el giro entre dos láminas con una precisión del orden de décimas de grado, algo que muchos veían más cerca de la «ciencia ficción» que de un experimento de laboratorio rutinario.
Ahí entra en juego el trabajo de Pablo Jarillo-Herrero, nacido en València en 1976 y formado en universidades de España, Estados Unidos, Países Bajos y Reino Unido. Desde su grupo en el MIT, el investigador llevaba años explorando materiales bidimensionales y se había propuesto el reto, que nadie había logrado antes, de girar capas de grafeno a ángulos perfectamente controlados.
Cómo se construye un grafeno de ángulo mágico en el laboratorio
La técnica que desarrolló el equipo de Jarillo-Herrero puede sonar sencilla cuando se explica con palabras, pero exige una destreza extrema. El propio físico recurre a una comparación cotidiana: es como partir una lámina finísima en dos y colocar una mitad sobre la otra, sin arrugas y con una orientación cuidadosamente elegida, solo que esa lámina es miles de veces más fina que un cabello humano.
En la práctica, los dispositivos se fabrican casi a mano, capa a capa. Jarillo-Herrero suele bromear con que sus doctorandos trabajan como «monjes medievales», elaborando piezas únicas con un nivel de detalle artesanal. Cada dispositivo de grafeno de ángulo mágico exige semanas de trabajo y un control exquisito del giro: si se desvía unas décimas de grado —en torno a 0,3 grados—, el efecto buscado desaparece.
Esa paciencia tuvo recompensa en 2018. En dos artículos publicados en Nature, el grupo del MIT mostró que, al alcanzar los 1,1 grados entre dos capas de grafeno, el sistema pasa a comportarse como un aislante fuertemente correlacionado o un superconductor, dependiendo de cómo se ajuste la densidad de electrones mediante voltajes externos. Es decir, con un mismo material y la misma estructura básica, se pueden explorar fases de la materia que antes requerían compuestos totalmente distintos.
Los trabajos de 2018 se convirtieron rápidamente en los artículos más citados del año en el grupo editorial de Nature y marcaron el verdadero pistoletazo de salida de la twistrónica. Lo que hasta entonces era una predicción teórica se transformó en una plataforma experimental reproducible, aunque todavía lejos de la producción en serie.
El presidente del jurado del premio BBVA, el Nobel Theodor W. Hänsch, resumió el impacto del hallazgo destacando el descubrimiento de electrones fuertemente correlacionados en materiales apilados y retorcidos. Traducido a un lenguaje más llano, significa que los electrones dejan de comportarse como partículas independientes y pasan a formar un sistema colectivo donde emergen propiedades nuevas y sorprendentes.
Twistrónica: una nueva forma de hacer física de materiales
El nombre de twistrónica (del inglés twist, girar) se ha consolidado para describir este campo que explora cómo la rotación entre capas bidimensionales permite rediseñar la materia. En lugar de combinar elementos químicos diferentes, la idea es apilar láminas ultrafinas y elegir el ángulo como parámetro de diseño, lo que da un grado de control inédito sobre las propiedades electrónicas.
En el caso del grafeno, un material que ya de por sí revolucionó la física al ser el primer sistema bidimensional estable con propiedades eléctricas y mecánicas excepcionales, el ángulo mágico lo lleva un paso más allá. Con un solo tipo de átomo, el carbono, pueden aparecer comportamientos propios de materiales superconductores, aislantes, magnéticos o ferroelectricos, según cómo se combinen y roten las capas.
El propio Jarillo-Herrero ha llegado a compararlo con una especie de «piedra filosofal al revés»: en lugar de transformar todos los materiales en oro, el grafeno de ángulo mágico puede imitar el comportamiento de muchos otros sistemas sólidos distintos. Para la comunidad científica, es una plataforma única para estudiar nuevas fases cuánticas y probar teorías que, hasta ahora, solo podían simularse en ordenador.
María José García Borge, investigadora del IEM-CSIC y miembro del jurado, subraya que el trabajo de MacDonald y Jarillo-Herrero abre nuevas fronteras en física al demostrar que un ajuste geométrico tan simple permite un control fino del comportamiento de la materia. Por su parte, el catedrático Luis Viña, de la Universidad Autónoma de Madrid, habla de una «tecnología de vanguardia» para crear configuraciones de materiales que antes no existían.
Este enfoque no se limita al grafeno. Sobre la mesa ya están otras combinaciones de materiales bidimensionales, como dicalcogenuros de metales de transición u otras capas atómicas, que podrían ofrecer una paleta aún más amplia de propiedades. La twistrónica se está convirtiendo así en un lenguaje común para diseñar sistemas electrónicos, ópticos y magnéticos con una precisión que recuerda más a la ingeniería que a la física tradicional de materiales.
Un reconocimiento internacional con fuerte acento español y europeo
El Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en Ciencias Básicas, dotado con 400.000 euros, se ha consolidado como uno de los galardones científicos más prestigiosos y, en ocasiones, como antesala del Nobel. En esta XVIII edición, el jurado ha seleccionado la candidatura de MacDonald y Jarillo-Herrero entre casi un centenar de nominaciones, varias de ellas impulsadas por instituciones españolas y europeas.
Jarillo-Herrero, que mantiene una estrecha relación con centros como el Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) y la Real Sociedad Española de Física, lleva años apareciendo en las quinielas para el Nobel de Física a raíz de sus trabajos en grafeno y materiales cuánticos. Junto a MacDonald ya había sido distinguido en 2020 con el premio Wolf de Física, considerado también un indicador relevante de futuros Nobel.
La Fundación BBVA destaca que la contribución de ambos investigadores ha sido «pionera» al proporcionar tanto la fundamentación teórica como la comprobación experimental de un nuevo campo de la física. No se trata solo de un resultado aislado, sino de la apertura de una línea de trabajo en la que participan ya miles de científicos en todo el mundo, incluidos numerosos grupos en España y otros países europeos.
El jurado, presidido por Theodor W. Hänsch, ha valorado especialmente la complementariedad de las aportaciones: MacDonald anticipó que un pequeño giro podría cambiar radicalmente el comportamiento electrónico del grafeno, mientras que el laboratorio dirigido por Jarillo-Herrero convirtió esa idea en dispositivos reales con los que se puede experimentar y medir.
Más allá del impacto académico, el galardón refuerza la visibilidad internacional de la investigación europea y española en física de materiales. Centros y universidades del continente están participando activamente en la expansión de la twistrónica, desarrollando nuevas combinaciones de materiales 2D y explorando aplicaciones tecnológicas que podrían consolidarse en las próximas décadas.
Superconductividad, magnetismo y otras propiedades emergentes
Uno de los aspectos que más ha llamado la atención de la comunidad científica es la posibilidad de obtener superconductividad en el grafeno de ángulo mágico. La superconductividad implica que la corriente eléctrica circula sin resistencia y, por tanto, sin pérdidas de energía en forma de calor, algo de enorme interés tanto científico como tecnológico.
En los experimentos de 2018, el grupo de Jarillo-Herrero mostró que, ajustando la densidad de carga en el sistema mediante compuertas eléctricas, el mismo dispositivo podía comportarse como un aislante correlacionado o como un superconductor. Es decir, se pasaba de un estado donde los electrones quedan prácticamente bloqueados a otro donde fluyen sin resistencia, simplemente cambiando parámetros externos.
Además de la superconductividad, en estos sistemas retorcidos aparecen propiedades magnéticas y ferroelectricidad, así como otros estados cuánticos todavía en estudio. El grafeno deja de ser únicamente un buen conductor y se convierte en una especie de laboratorio en miniatura donde se pueden emular fenómenos presentes en óxidos complejos, materiales pesados o compuestos fuertemente correlacionados.
Para muchos físicos, esta versatilidad convierte al ángulo mágico en una herramienta única para probar teorías sobre el comportamiento colectivo de los electrones, un terreno donde aún quedan muchas preguntas sin respuesta. El propio Jarillo-Herrero reconoce que todavía no se entiende del todo el mecanismo íntimo que da lugar a la superconductividad en estas estructuras moiré, lo que abre un amplio margen para la investigación básica.
En paralelo, el concepto se está extendiendo a otras familias de materiales 2D. Combinando diferentes láminas —no solo de grafeno— y modificando sus ángulos relativos, se están descubriendo nuevas fases magnéticas, estados topológicos y comportamientos exóticos que podrían alimentar futuras tecnologías cuánticas.
Retos para escalar la tecnología: de los «monjes medievales» a la imprenta cuántica
Si bien los resultados de laboratorio son espectaculares, el salto hacia aplicaciones masivas no está ni mucho menos resuelto. Hoy por hoy, la fabricación de dispositivos de ángulo mágico es un proceso lento, delicado y caro, muy lejos de las líneas de producción de la industria microelectrónica.
Jarillo-Herrero suele explicar la situación con una metáfora muy gráfica: sus estudiantes trabajan como monjes copistas, creando un dispositivo único cada vez, con un nivel de personalización enorme pero sin posibilidad de replicarlo en serie. Falta, en sus palabras, que aparezca un «Gutenberg» de los materiales cuánticos que invente una especie de imprenta para producir miles o millones de estructuras con el ángulo deseado.
El desafío no es solo repetir el proceso, sino lograr que sea estable, limpio y compatible con las tecnologías industriales existentes. Integrar materiales de un átomo de grosor en cadenas de fabricación donde se manejan obleas de silicio y capas mucho más gruesas exige repensar herramientas, máquinas y protocolos enteros.
A ello se suma la necesidad de controlar el ángulo con una precisión casi obsesiva. El rango útil se concentra en torno a 1,1 grados, y desviarse apenas unas décimas basta para que desaparezcan las propiedades emergentes más llamativas. Trasladar esa finura a procesos automatizados, a gran escala, es un reto de ingeniería considerable.
Pese a todo, la comunidad confía en que, con el tiempo, se desarrollen técnicas de integración más robustas. La propia presión de posibles aplicaciones en energía, comunicaciones o computación cuántica está impulsando proyectos y colaboraciones entre físicos, ingenieros de materiales y empresas tecnológicas, también en Europa y España.
Posibles aplicaciones: energía, computación cuántica e inteligencia artificial
Entre las aplicaciones que se vislumbran a medio y largo plazo, la más citada es la transmisión eléctrica sin pérdidas o con pérdidas mínimas. Si se lograra una superconductividad robusta y manejable en materiales derivados del grafeno, se podrían diseñar cables, bobinas e imanes que reduzcan drásticamente el desperdicio energético, con impacto directo en redes eléctricas, transporte o grandes instalaciones científicas.
Otra línea de enorme interés es la computación cuántica. Las estructuras twistrónicas podrían servir como plataforma para nuevos tipos de qubits o para circuitos cuánticos más estables y controlables. La capacidad de ajustar el comportamiento electrónico mediante el ángulo y el dopado da una flexibilidad que resulta muy atractiva para diseñar arquitecturas cuánticas a medida.
Los investigadores también apuntan a detectores de luz ultrasensibles, especialmente en el rango del infrarrojo y de los terahercios. Estos dispositivos podrían mejorar herramientas para astronomía, vigilancia del clima o comunicaciones avanzadas, al aprovechar estados electrónicos muy sensibles a la radiación incidente.
En el terreno más clásico de la electrónica, la twistrónica abre la puerta a dispositivos de computación neuromórfica, es decir, circuitos inspirados en el funcionamiento del cerebro. Aprovechando propiedades como la ferroelectricidad y la posibilidad de sintonizar la conductividad con voltajes muy bajos, se podrían diseñar chips más eficientes para tareas de inteligencia artificial, reduciendo el consumo energético respecto a la electrónica tradicional.
Todo ello se encuentra todavía en fases tempranas de desarrollo, pero los expertos coinciden en que el verdadero valor del ángulo mágico está en haber demostrado que la geometría puede ser un recurso tecnológico de primer orden. No hace falta cambiar los ingredientes del material para cambiar radicalmente su comportamiento: basta con controlar, con exquisita precisión, cómo se coloca una capa sobre otra.
Con la combinación de una predicción teórica audaz y una verificación experimental que muchos calificaban de imposible, el descubrimiento del ángulo mágico del grafeno ha convertido un giro de apenas 1,1 grados en una herramienta central de la física de materiales moderna. Lo que hoy son dispositivos casi artesanales, fabricados por equipos que trabajan con paciencia de monje, podría desembocar en nuevas tecnologías cuánticas, sistemas energéticos más eficientes y una electrónica radicalmente distinta, con una notable participación de la comunidad científica española y europea en esta carrera por aprender a moldear la materia solo girando sus capas.