Nuevo método para generar bandas planas en el grafeno bicapa

Las bandas planas en el nivel de Fermi permiten la superconductividad del grafeno bicapa rotado con ángulo mágico. Se publica en Science Advances un nuevo método para inducir bandas planas en el grafeno bicapa sin necesidad de rotarlo; basta fabricarlo por recocido sobre un sustrato adecuado de carburo de silicio. Por desgracia, estas bandas planas se encuentran 200 meV por debajo del nivel de Fermi, luego no se observa el estado superconductor. Aún así se abre una nueva ruta potencial para lograr la superconductividad del grafeno; ojalá exista un dopado adecuado (adicionando átomos en la superficie, o mediante un voltaje externo) que levante la región de banda plana hasta alcanzar el nivel de Fermi. Habrá que estar al tanto de los avances en esta línea tan prometedora.

El artículo es D. Marchenko, D. V. Evtushinsky, …, O. Rader, “Extremely flat band in bilayer graphene,” Science Advances 4: eaau0059 (09 Nov 2018), doi: 10.1126/sciadv.aau0059. Más información divulgativa en Christian Nordqvist, “Superconductivity with graphene is possible, say scientists,” MBN, 10 Nov 2018, y “Graphene on the way to superconductivity,” Phys.org, 09 Nov 2018.

El nuevo método de producción de bandas planas en grafeno es muy sencillo, permitiendo una producción masiva potencial. Se produce grafeno sobre 6H-SiC(0001) dopado con nitrógeno (con una técnica bien conocida desarrollada en 2009). Para mejorar la calidad de la superficie se calienta a una temperatura de 1425°C y un bar de presión. Se crece grafeno en la superficie de SiC por evaporación de los átomos de silicio mediante recocido del material a 1675°C y un bar de presión. Las medidas mediante ARPES (Angle-Resolved PhotoEmission Spectroscopy) indican que se obtiene una monocapa de grafeno en el 80% de las superficie, con una bicapa de grafeno en el 20% restante. Mediante varios recocidos posteriores con temperaturas entre 1300° y 1400°C se logra que toda la superficie esté cubierta de grafeno bicapa (sin rotación aparente alguna). Las medidas con ARPES indican que este material presenta una banda plana.

El nivel de Fermi es el nivel de energía más alto ocupado por los electrones en el cero absoluto de temperatura (−273.15°C). La estructura de bandas de una monocapa de grafeno (MLG) muestra un doble cono sin salto de banda (en color azul claro en la figura izquierda). Las bandas planas del grafeno bicapa (BLG) sobre un sustrato de carburo de silicio (SiC) se observan por debajo del nivel de Fermi pero por encima de un salto de banda (en color rojo claro en la figura izquierda).

Las medidas obtenidas mediante ARPES de alta resolución han sido confrontadas con simulaciones por ordenador realizadas mediante DFT (Density Functional Theory). En estas simulaciones se introduce un capa de transición entre el sustrado de SiC y el BLG, llamada «capa cero de grafeno» (ZLG, siglas de Zero-Layer Graphene), que está unida por enlaces covalentes con el sustrato y actúa como un buffer para los electrones.

La estructura de bandas planas observada en el BLG crecido sobre SiC por recocido depende mucho de los defectos de fabricación. Su efecto es alterar la estructura de bandas planas transformándola en una de bandas parabólicas (cuasipartículas con una masa efectiva positiva) o en una de bandas con forma de sombrero mexicano (cuasipartículas con una masa efectiva negativa). La similitud con el potencial del campo de Higgs durante la rotura espontánea de simetría electrodébil me hace pensar que este dispositivo también se puede usar como análogo físico de este fenómeno.

En resumen, un artículo interesante, pero cuya relevancia futura está por demostrar. La posibilidad de ofrecer una nueva ruta hacia la superconductividad en grafeno está ahí, pero hay que demostrarla. Si se lograra, el grafeno acabaría siendo un material superconductor a tener en cuenta en las aplicaciones prácticas. Si no se logra, aprenderemos muchas cosas sobre el grafeno durante el camino.



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 22 noviembre, 2018
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science
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