Un vistazo al interior de un sándwich de grafeno
En la búsqueda de nuevos tipos de superconductores, los científicos están investigando materiales formados por múltiples capas
Un equipo dirigido por el físico teórico Mathias Scheurer, de la Universidad de Innsbruck (Austria), ha estudiado en detalle las propiedades de un sistema de tres capas de grafeno retorcidas y ha obtenido importantes conocimientos sobre sus propiedades.
Las estructuras de átomos de carbono en forma de panal, conocidas como grafeno, pueden conducir la corriente eléctrica sin resistencia cuando se retuercen unas contra otras.
Uni Innsbruck
Desde la primera fabricación con éxito de una estructura bidimensional de átomos de carbono hace unos 20 años, el grafeno ha fascinado a los científicos. Hace unos años, los investigadores descubrieron que dos capas de grafeno, ligeramente retorcidas entre sí, pueden conducir la corriente eléctrica sin pérdidas. En los últimos años, este descubrimiento ha llevado a los científicos a explorar con más detalle estos materiales en capas. Un ejemplo notable reciente es el grafeno tricapa retorcido con simetría de espejo, en el que se apilan tres capas de grafeno con ángulos de torsión alternativos. Es el primer sistema de moiré que puede ajustarse eficazmente con un campo eléctrico perpendicular y se ha demostrado experimentalmente que presenta una superconductividad robusta, además de otras fases. "Esto convierte al grafeno tricapa en una plataforma apasionante para la física compleja de muchos cuerpos, pero la naturaleza de los aislantes, semimetales y superconductividad inducidos por la interacción que se observan sigue siendo desconocida", afirma Mathias Scheurer, del Departamento de Física Teórica de la Universidad de Innsbruck.
En un artículo publicado en Physical Review X, un equipo dirigido por Scheurer estudió numérica y analíticamente el diagrama de fases de este sistema para diferentes números de electrones por celda unitaria de moiré y en función del campo eléctrico. "Se trata de un problema muy difícil, ya que el sistema tiene bandas planas y altamente dispersivas", afirma el físico teórico. "Sin embargo, logramos demostrar que el estado básico del sistema en ausencia de campo se desacopla en un producto del estado básico del grafeno y el estado básico del grafeno bicapa retorcido", una propiedad que ha sido confirmada posteriormente por los experimentos. Sus resultados establecen además el predominio de las fases aislante y semimetálica en presencia de un campo eléctrico que son exclusivas del sistema tricapa, es decir, que no se dan en el grafeno bicapa retorcido. "Somos capaces de utilizar nuestro diagrama de fase resultante para los estados normales correlacionados para restringir la forma del superconductor", dice Scheurer. "Entre otros aspectos, los dos estados candidatos a superconductores resultantes que obtenemos son coherentes con la inesperada estabilidad del superconductor en campo magnético observada en el experimento".
La relevancia de los hallazgos para la física del grafeno tricapa trenzado se ve corroborada por una colaboración posterior con el grupo de Abhay Pasupathy, de la Universidad de Columbia. En un artículo publicado recientemente en Science, presentan datos de microscopía de efecto túnel (STM) sobre este sistema. "Demostramos que los espectros de tunelización medidos presentan importantes efectos de interacción que pueden captarse cualitativamente mediante los cálculos de nuestro trabajo", afirma Mathias Scheurer.
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Publicación original
Correlated insulators, semimetals, and superconductivity in twisted trilayer graphene. Maine Christos, Subir Sachdev, Mathias S. Scheurer. Phys Rev X 2022.
Orderly disorder in magic-angle twisted trilayer graphene. Simon Turkel, Joshua Swann, Ziyan Zhu, Maine Christos, K. Watanabe, T. Taniguchi, Subir Sachdev, Mathias S. Scheurer, Efthimios Kaxiras, Cory R. Dean, and Abhay N. Pasupathy. Science (376, 6589), 193-199.
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