Carmen Rubio-Verdú: “En física fundamental, eliminamos cualquier perturbación para revelar lo que se esconde detrás, para acceder a lo desconocido”

Carmen Rubio-Verdú descubrió su pasión por los materiales bidimensionales (2D) durante su doctorado en nanoGUNE (San Sebastián, España); una pasión que continuó creciendo junto con su experiencia a través de sus estancias posdoctorales en la Universidad de Columbia (EE.UU.) y la Freie Universität Berlin (Alemania). Allí exploró las fases electrónicas correlacionadas que emergen en materiales 2D rotados, un área de vanguardia en la física de la materia condensada.

En 2023, Carmen puso en marcha su propio grupo de investigación en ICFO y, desde entonces, todo el equipo ha profundizado aún más en sus intereses en la ciencia fundamental. Ahora, poco más de dos años después de convertirse en investigadora principal, ha sido galardonada con una Starting Grant del Consejo Europeo de Investigación (ERC, por sus siglas en inglés), una de las oportunidades de financiación más competitivas y respetadas en Europa para jóvenes investigadores excepcionales. La beca financia un proyecto de cinco años en ciencia fundamental, brindando a los galardonados la libertad de perseguir investigaciones arriesgadas, pero cuya potencial recompensa promete ser muy grande.

Carmen pretende aprovechar esta oportunidad para investigar uno de los temas más candentes en la ciencia de frontera. Un tema que involucra materiales de grosor atómico, fases cuánticas exóticas como la superconductividad no convencional, y equipos de última generación para sondear las propiedades fundamentales de la materia.

En esta entrevista, Carmen nos cuenta el camino que siguió en la ciencia fundamental de la materia condensada y cómo finalmente logró esta beca.

¿Puedes resumir la idea del proyecto que esta ERC Starting Grant apoyará?

La idea es entender por qué esta nueva familia de materiales llamada materiales moiré se comportan de la manera en que lo hacen y no otra. Los materiales moiré son cristales de grosor atómico (es decir, materiales 2D) apilados unos sobre otros con una ligera rotación entre ellos. Los átomos de estas capas crean entonces un llamado patrón moiré, el cual modifica profundamente las propiedades de los electrones que se mueven a través del material, dando lugar a fases exóticas de la materia como una superconductividad no convencional.

El ejemplo más conocido es el grafeno bicapa rotado en el ángulo mágico. Cuando se colocan dos capas de grafeno, cada una de un solo átomo de grosor, una sobre otra con un ángulo de torsión de 1,1 grados, el sistema en conjunto se vuelve superconductor. Sin embargo, las dos capas individuales no son superconductoras por sí solas. De manera similar, si se elige un ángulo de torsión diferente, incluso siendo solo ligeramente distinto, el sistema resultante tampoco es superconductor. Con este proyecto, queremos entender por qué ocurre este fenómeno y cuál es el mecanismo físico que lo explica.

¿Por qué te interesan los materiales 2D y por qué elegiste este tema en particular?

Me interesan los materiales 2D porque, para empezar, se suponía que las fases correlacionadas como la superconductividad y el magnetismo ni siquiera podían existir en dos dimensiones. Pero ahora sabemos que sí existen, aunque a menudo en formas que no están presentes en otros materiales tridimensionales. Para mí, esto es indicativo de un campo que está lleno de posibilidades interesantes.

De hecho, el campo de los materiales 2D rotados es bastante nuevo. Los primeros experimentos se realizaron en 2018, así que todavía hay muchas preguntas abiertas, mucho margen para la investigación de vanguardia. Sin embargo, en solo unos pocos años, ya hemos visto que la física en estos materiales es extraordinariamente rica. Todo gira en torno a la idea del comportamiento colectivo: no se puede entender lo que ocurre en estos materiales centrándose solo en las partículas individuales, sino que hay que considerar el conjunto entero de electrones. Como consecuencia, emergen muchas fases exóticas interesantes.

Respecto a este proyecto en específico, lo elegí precisamente porque quedan muchísimas incógnitas por resolver. Para poder hacerlo, creo firmemente que debemos enfrentar el problema desde distintas perspectivas. En mi grupo abordaremos estas preguntas a través de varias técnicas independientes pero complementarias, de modo que podamos construir una comprensión profunda de las fases cuánticas que emergen. Un gran avance sería descubrir una nueva forma de superconductividad que nunca antes se haya visto. Esa es nuestra gran aspiración.

¿Cómo planeáis, tú y tu grupo, lograrlo? ¿Cuáles son los principales pasos que seguiréis?

Primero, necesitamos fabricar estos materiales 2D rotados y conseguir que estén muy limpios y uniformes. Luego utilizaremos equipos de última generación, en particular un microscopio especial llamado microscopio de efecto túnel de barrido (Scanning Tunneling Microscope). Con este microscopio se pueden obtener imágenes de los átomos e investigar sus propiedades electrónicas a nivel local a temperaturas por debajo de los 100 milikelvin. Esta capacidad es esencial a la hora de investigar fases cuánticas, ya que estas solo surgen a temperaturas ultrabajas.

Supongo que toma tiempo planificar un proyecto de gran envergadura como este. ¿Cómo y cuándo surgieron esta idea científica y la metodología correspondiente?

Ha sido un proceso largo. Durante mi doctorado ya empecé a trabajar en materiales bidimensionales, y cuando estaba a punto de irme a hacer un posdoctorado, todo este campo de materiales 2D rotados explotó. Eso despertó mi curiosidad, de modo que durante mi postdoctorado investigué a fondo el grafeno rotado.

Cuando decidí que quería establecer mi propio grupo de investigación, simplemente me dirigí hacia las cuestiones abiertas en el campo. Me pregunté: ¿cuáles son hoy las mayores incógnitas? A lo largo de estos últimos años fui construyendo este proyecto en mi cabeza. Estoy muy emocionada de que la ERC decidiera financiarlo, para poder sumergirme de lleno en el proyecto.

¿Qué significa para ti y para tu grupo esta beca ERC en términos de la investigación que podréis llevar a cabo?

Esta ERC es de gran importancia tanto para mi grupo como para mí. No creo que pudiera llevar a cabo este proyecto sin una beca tan prestigiosa. Esto se debe no solo a los considerables recursos que requiere, en particular el alto coste del instrumento, sino también a que la ERC Starting Grant ofrece cinco años de apoyo continuado. En cinco años sí que se tiene la oportunidad de realizar experimentos difíciles y de analizar los datos en profundidad, pudiendo así construir conclusiones sólidas y profundas sobre la física subyacente.

En un sentido más amplio, la ERC es una gran oportunidad para que mi grupo crezca y desarrolle investigación de vanguardia. Este proyecto se alinea muy bien con los temas de investigación de mi grupo, ya que nosotros nos centramos en las nuevas fases que emergen en materiales 2D, ya sea en capas individuales, en capas rotadas, o incluso en estructuras más complejas. En ese sentido, encaja perfectamente.

Me gustaría terminar con una pregunta más personal: ¿cuándo supiste que querías estudiar ciencia y por qué elegiste este campo específico?

Siempre he sido una persona muy curiosa, desde que era niña. Ahora, en perspectiva, creo que todo tiene sentido. Cuando estaba en secundaria, me di cuenta de que me gustaba la ciencia; simplemente la encontraba interesante. Pero, incluso a día de hoy, estoy continuamente preguntándome por qué la naturaleza se comporta como lo hace. La física me tiene el corazón robado ahora, pero en última instancia se trata de tener curiosidad e intentar entender cómo funciona el mundo. Muy a menudo pienso que, quizá, en otra vida, seré antropóloga.

Al final, sin embargo, me decanté por la física. Tras terminar la carrera, me adentré en los materiales 2D porque en física fundamental puedes dedicar tu tiempo a plantearte por qué tu objeto de estudio se comporta de una cierta manera. Más específicamente, en mi campo tratamos de aislar el sistema lo máximo posible colocando los materiales bajo condiciones de vacío ultra-alto y a temperaturas muy bajas. De esta forma eliminamos cualquier perturbación para revelar lo que se esconde detrás, para acceder a lo desconocido.