El grafeno doble bicapa rotado parece ser un superconductor de tipo triplete

Por Francisco R. Villatoro, el 25 noviembre, 2019. Categoría(s): Ciencia • Física • Nanotecnología • Noticias • Physics • Science ✎ 4

El grafeno bicapa rotado está formado por dos hojas de grafeno colocadas una sobre la otra con cierto ángulo. En lugar de usar grafeno monocapa se puede usar grafeno bicapa (una doble hoja de grafeno sin rotar, o de tipo Bernal); así se obtiene una estructura con cuatro hojas de grafeno llamada grafeno bicapa doble rotado (TDBG, por Twisted Double Bilayer Graphene). El grupo de Philip Kim (Univ. Harvard, EEUU) ha observado que el TDBG con un ángulo de moiré de θ = 1.24º  es superconductor con una temperatura crítica Tc ≈ 3.5 K; su campo magnético crítico transversal de B⊥c ≈ 0.1 T, y el longitudinal de B∥c ≈ 1.0 T. Sus resultados, así como un modelo teórico que ha publicado en Nature Communications, sugieren que los pares de Cooper en el TDBG tienen espín unidad (S=1); por tanto, se trataría de una material superconductor de tipo triplete.

Se necesitan más estudios para confirmarlo, como suele ser habitual en los trabajos pioneros en esta área de investigación. El modelado teórico de las estructuras de moiré basadas en grafeno (hay muchas variantes) es difícil; por ello, se requieren estudios experimentales de precisión que permitan sesgar los diferentes modelos para decidir qué propuestas son más acertadas. Asumiendo que se confirmase que el TDBG es un material con superconductividad triplete se trataría de un material revolucionario, al combinar propiedades magnéticas (asociadas a los espines de los electrones en los pares de Cooper) con la robustez de la superconductividad topológica (asociada a bandas aisladas que cruzan el nivel de Fermi de las capas de conducción a la de valencia y viceversa). Así se considera que estos materiales serían ideales para la aplicación de la espintrónica a las tecnologías de la información cuántica. Pero habrá que ser cautos antes de soñar con una revolución tecnológica.

Los artículos citados son Jong Yeon Lee, …, Philip Kim, Ashvin VishwanathTheory of correlated insulating behaviour and spin-triplet superconductivity in twisted double bilayer graphene,” Nature Communications 10: 5333 (25 Nov 2019), doi: https://doi.org/10.1038/s41467-019-12981-1arXiv:1903.08685 [cond-mat.str-el] (20 Mar 2019); Xiaomeng Liu, …, Ashvin Vishwanath, Philip Kim, “Spin-polarized Correlated Insulator and Superconductor in Twisted Double Bilayer Graphene,” arXiv:1903.08130 [cond-mat.mes-hall] (19 Mar 2019); Mathias S. Scheurer, Rhine Samajdar, “Pairing in twisted double-bilayer graphene and related moiré superlattice systems,” arXiv:1906.03258 [cond-mat.supr-con] (07 Jun 2019); y Peter Rickhaus, Giulia Zheng, …, Klaus Ensslin, “Gap Opening in Twisted Double Bilayer Graphene by Crystal fields,” Nano Lett. (31 Oct 2019), doi: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b03660arXiv:1910.10524 [cond-mat.mes-hall] (23 Oct 2019).

El grafeno bicapa de tipo Bernal (θ = 0º) tiene la configuración estándar del grafito; en concreto, cada átomo de carbono de una de las dos capas está colocado sobre el centro del hexágono de carbonos de la otra capa. El grafeno bicapa doble rotado (TDBG) se fabrica colocando dos bicapas de grafeno de tipo Bernal con cierto ángulo (θ > 0º) entre sí, de tal forma que se forma un patrón de moiré. El grupo de Kim ha fabricado este dispositivo encapsulado entre nitruro de boro hexagonal con contactos externos de grafito. Para dopar el dispositivo con electrones (o huecos) se aplican voltajes a los contactos superior (VTG, top gate) e inferior (VBG, bottom gate); la densidad de electrones es n = CTGVTG + CBG VBG, y el campo de desplazamiento (o densidad de flujo eléctrico) es D = (CTG VTG − CBG VBG)/2, donde CTG  y CBG  son las capacitancias entre el TDBG y las contactos superior e inferior, resp.

En el punto de neutralidad de carga la estructura de bandas carece salto de banda (bandgap) para D = 0; sin embargo, aparece un salto de banda para |D| > D1 > 0, es decir, a diferencia del grafeno bicapa rotado (TBG), las bandas planas aparecen solo para un campo de desplazamiento por encima de cierto umbral. En las bandas de la superestructura de moiré caben hasta cuatro electrones (o huecos) por celda unidad; el llenado completo de estas bandas de moiré, n = ± ns, ocurre para desplazamientos |D| = D±2; estos valores son diferentes para la (primera) banda de valencia (v1) y de conducción (c1). De hecho, la masa efectiva de los portadores es de m ≈ 0.2 me para v1 y ∼ 0.4 me para c1, siendo me la masa del electrón en el vacío; recuérdese que en el grafeno bicapa de tipo Bernal la masa efectiva es 0.04 me.

La superconductividad se observa dopando con electrones el aislante que se observa para el semillenado (n = ns/2) con un ángulo de moiré de θ = 1.24º. El domo superconductor (ver la figura que abre esta pieza) tiene un máximo para D = Dm ≈ 0.38 V/nm, y n = nm ≈ 2 ns/3, mostrando una temperatura crítica de Tc ≈ 3.5 K (la temperatura de transición BKT (Berezinskii–Kosterlitz–Thouless) también es de TBKT ≈ 3.5 K). Lo más interesante es la estructura de espín de la superconductividad del TDBG explorada al aplicar campos magnéticos. El cambio observado según la dirección del campo magnético apunta a que se trata de un superconductor de tipo triplete (los pares de Cooper están formados por electrones cuyos espines son paralelos y apuntan en la misma dirección, |S| = ½ + ½ = 1).

El grupo de Kim ha desarrollado un modelo teórico de la superconductividad de tipo triplete en el  TDBG (cuya publicación en Nature Communications me ha sugerido esta pieza). El salto (hopping) de portadores entre las capas de grafeno más próximas, rotadas con un ángulo de moiré θ, en los sitios AA y AB del patrón de moiré se parametriza con w0 y w1, resp., siendo el cociente r = w0/w1 < 1 (un valor típico está en r = 0.75 y r = 0.88). En su modelo teórico la superconductividad es resultado del apareamiento de electrones situados en valles opuestos situados en bicapas diferentes debido al fuerte acoplamiento espín-órbita; el resultado son pares de Cooper con ambos espines apuntando en la misma dirección (↑↑ o ↓↓), con lo que se suman dando lugar a un estado triplete para el espín total.

La superconductividad de tipo triplete se observa en pocos materiales (como algunos compuestos de uranio ya que requiere el acoplamiento entre orbitales p, algo desfavorecido energéticamente en la mayoría de los sólidos). Se trata de superconductividad topológica, ya que viene acompañada de bandas aisladas de conducción y valencia con número número de Chern mayor de cero. Si se confirma en el TDBG acabará siendo uno de los superconductores topológicos más interesantes de los que se dispone para aplicaciones en tratamiento cuántico de la información. Pero hay que ser cautos pues se requieren medidas por separado de los espines de los electrones en los pares de Cooper para confirmarlo de forma definitiva, siendo estas medidas muy difíciles de realizar.

Se han publicado varios estudios teóricos que reafirman la idea de que el TDBG presenta superconductividad triplete. Los posibles diagramas de fase para los estados tripletes del TDBG se han estudiado usando teoría de grupos aplicada a un modelo de campo medio. Los estados de espín de los electrones de los pares de Cooper tienen simetría SU(2)+ × SU(2). Un estudio sistemático para el TDBG, apunta a un punto triple que separa los estados triplete, singlete y un estado en superposición singlete+triplete (aunque no se puede descartar que solo existan los estados singlete y triplete).

He leído varios artículos, pero me gustaría destacar uno publicado en Nano Letters que sugiere que las propiedades elásticas de las bicapas de grafeno pueden afectar a la estructura de bandas. A baja temperatura se observa la aparición de salto de banda inducido por un campo de desplazamiento debido a los esfuerzos elásticos entre las bicapas de grafeno. Un modelo teórico ajusta muy bien los resultados experimentales (aunque solo para ángulos de moiré grandes). Me parece relevante destacarlo pues podría influir en los resultados del grupo de Kim, cuyo modelo no tiene en cuenta este efecto (que podría ser significativo incluso para ángulos de moiré pequeños).

En resumen, la twistrónica, el campo de estudio de los materiales bidimensionales que muestran patrones de moiré, nos está ofreciendo continuas sorpresas en superconductividad, magnetismo y otras áreas relacionadas. Desde el trabajo experimental pionero de Pablo Jarillo-Herrero (MIT, EEUU), el campo ha explotado de forma exponencial. Sin lugar a dudas, en los próximos lustros se acabará encontrando un aplicación tecnológica nicho que permita su explotación comercial en las próximas décadas. Habrá que seguir al tanto de los nuevos avances.



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