El comportamiento de las franjas de Mohr y las bandas planas en la ciencia de la física cuántica, denominado grafeno bicapa retorcido (TBLG) de "ángulo mágico", ha despertado gran interés entre los científicos, si bien muchas de sus propiedades son objeto de intensos debates. En un nuevo estudio publicado en la revista Science Progress, Emilio Colledo y científicos del Departamento de Física y Ciencia de los Materiales de Estados Unidos y Japón observaron superconductividad y analogía en el grafeno bicapa retorcido. El estado aislante de Mott presenta un ángulo de torsión de aproximadamente 0,93 grados. Este ángulo es un 15 % menor que el ángulo mágico (1,1°) calculado en el estudio anterior. Este estudio demuestra que el rango del ángulo mágico del grafeno bicapa retorcido es mayor de lo previsto.
Este estudio proporciona una gran cantidad de información nueva para descifrar los fuertes fenómenos cuánticos en el grafeno bicapa retorcido para aplicaciones en física cuántica. Los físicos definen la "twistrónica" como el ángulo de torsión relativo entre capas adyacentes de van der Waals para producir bandas planas y de moiré en el grafeno. Este concepto se ha convertido en un método nuevo y único para cambiar y personalizar significativamente las propiedades de los dispositivos basados en materiales bidimensionales para lograr el flujo de corriente. El notable efecto de la "twistrónica" se ejemplificó en el trabajo pionero de los investigadores, demostrando que cuando dos capas de grafeno monocapa se apilan en un ángulo de torsión "mágico" de θ = 1,1 ± 0,1°, aparece una banda muy plana.
En este estudio, en el grafeno bicapa retorcido (TBLG), la fase aislante de la primera microbanda (característica estructural) de la superred en el "ángulo mágico" estaba semillena. El equipo de investigación determinó que se trata de un aislante de Mott (un aislante con propiedades superconductoras) que exhibe superconductividad a niveles de dopaje ligeramente superiores e inferiores. El diagrama de fases muestra el superconductor de alta temperatura entre la temperatura de transición superconductora (Tc) y la temperatura de Fermi (Tf). Esta investigación generó gran interés y debate teórico sobre la estructura de bandas del grafeno, su topología y otros sistemas semiconductores del "ángulo mágico". En comparación con el informe teórico original, la investigación experimental es escasa y apenas ha comenzado. En este estudio, el equipo realizó mediciones de transmisión en el grafeno bicapa retorcido del "ángulo mágico", mostrando los estados aislantes y superconductores relevantes.
Un ángulo inesperadamente distorsionado de 0,93 ± 0,01, que es un 15 % menor que el “Ángulo Mágico” establecido, es también el más pequeño reportado hasta la fecha y exhibe propiedades superconductoras. Estos resultados indican que el nuevo estado de correlación puede aparecer en el grafeno bicapa retorcido de “Ángulo Mágico”, más abajo del “ángulo mágico” primario, más allá de la primera microbanda de grafeno. Para construir estos dispositivos de grafeno bicapa retorcido de “cuerno mágico”, el equipo utilizó un enfoque de “desgarro y apilamiento”. La estructura entre las capas hexagonales de nitruro de boro (BN) está encapsulada; modelada en una geometría de varilla Hall con múltiples cables acoplados a contactos de borde Cr/Au (cromo/oro). Todo el dispositivo de grafeno bicapa retorcido de “Ángulo Mágico” se fabricó sobre la capa de grafeno utilizada como puerta trasera.
Los científicos utilizan técnicas estándar de bloqueo de corriente continua (CC) y corriente alterna (CA) para medir dispositivos en criostatos HE4 y HE3 bombeados. El equipo registró la relación entre la resistencia longitudinal del dispositivo (Rxx) y el rango extendido de voltaje de puerta (VG) y calculó el campo magnético B a una temperatura de 1,7 K. Se observó una pequeña asimetría electrón-hueco como una propiedad inherente del dispositivo de grafeno bicapa retorcido de "Ángulo Mágico". Como se observó en informes anteriores, el equipo registró estos resultados y detalló los informes que han sido superconductores hasta ahora. El característico "Ángulo Mágico" retuerce el ángulo de torsión mínimo del dispositivo de grafeno bicapa. Con un examen más cercano del diagrama de abanico de Landau, los investigadores obtuvieron algunas características notables.
Por ejemplo, el pico a medio llenado y la doble degeneración del nivel de Landau son consistentes con los estados de aislamiento tipo Moment observados previamente. El equipo mostró una ruptura en la simetría del valle de espín aproximado SU(4) y la formación de una nueva superficie de Fermi de cuasipartícula. Sin embargo, los detalles requieren una inspección más detallada. También se observó la aparición de superconductividad, que aumentó Rxx (resistencia longitudinal), similar a estudios anteriores. El equipo luego examinó la temperatura crítica (Tc) de la fase superconductora. Dado que no se obtuvieron datos para el dopaje óptimo de superconductores en esta muestra, los científicos asumieron una temperatura crítica de hasta 0,5 K. Sin embargo, estos dispositivos se vuelven ineficaces hasta que puedan obtener datos claros del estado superconductor. Para investigar más a fondo el estado superconductor, los investigadores midieron las características de voltaje-corriente (VI) de cuatro terminales del dispositivo a diferentes densidades de portadores.
La resistencia obtenida muestra que se observa una supercorriente en un rango de densidad mayor y evidencia la supresión de la supercorriente al aplicar un campo magnético paralelo. Para comprender mejor el comportamiento observado en el estudio, los investigadores calcularon la estructura de bandas de Moir del dispositivo de grafeno bicapa retorcido con "ángulo mágico" utilizando el modelo de Bistritzer-MacDonald y parámetros mejorados. En comparación con el cálculo previo del ángulo "ángulo mágico", la banda de Moir de baja energía calculada no está aislada de la banda de alta energía. Si bien el ángulo de torsión del dispositivo es menor que el ángulo "ángulo mágico" calculado en otros estudios, el dispositivo presenta un fenómeno estrechamente relacionado con estudios previos (aislamiento de Moir y superconductividad), que los físicos consideraron inesperado y factible.
Tras evaluar con mayor detalle el comportamiento a altas densidades (el número de estados disponibles en cada energía), las características observadas por los científicos se atribuyen a los nuevos estados de aislamiento asociados. En el futuro, se llevará a cabo un estudio más exhaustivo de la densidad de estados (DOS) para comprender el estado de aislamiento anómalo y determinar si puede clasificarse como un líquido de espín cuántico. De este modo, los científicos observaron superconductividad cerca del estado aislante tipo Mox en un dispositivo de grafeno bicapa retorcido con un pequeño ángulo de torsión (0,93°). Este estudio demuestra que, incluso a ángulos tan pequeños y altas densidades, el efecto de la correlación electrónica sobre las propiedades del moiré es el mismo. En el futuro, se estudiarán los valles de espín de la fase aislante y se analizará una nueva fase superconductora a menor temperatura. La investigación experimental se combinará con esfuerzos teóricos para comprender el origen de este comportamiento.
Fecha de publicación: 8 de octubre de 2019