La competencia entre estados superconductores y aislantes correlacionados en el grafeno bicapa rotado con ángulo mágico

Por Francisco R. Villatoro, el 9 julio, 2020. Categoría(s): Ciencia • Física • Nanotecnología • Nature • Noticias • Physics • Science ✎ 3

Todavía se ignora el origen de los estados superconductores y aislantes en el grafeno bicapa rotada con ángulo mágico (MATBG); tampoco se sabe si ambos fenómenos tienen el mismo origen, como parecían indicar los experimentos liderados por el español Pablo Jarillo-Herrero (MIT, EEUU). El grupo del alemán Dmitri K. Efetov (ICFO, España) publica en Nature dos dispositivos con ángulo cercano al mágico en el que los estados aislantes fuertemente correlacionados y los estados superconductores compiten entre sí, con lo que su origen sería independiente. Si futuros estudios confirman estas observaciones, resultará que el MATBG no es un buen modelo para desvelar el origen de la superconductividad no convencional en cupratos, pnicturos y sistemas de fermiones pesados. Así se diluiría la esperanza de resolver el gran problema de la materia condensada en el siglo XXI usando el MATBG.

El grupo de Efetov se caracteriza por su destreza a la hora de fabricar dispositivos MATBG de gran precisión, con ángulo 1.10 ± 0.05 grados. Los resultados se han obtenido para tres dispositivos: D1 con θ ≈ 1.15°, D2 con θ ≈ 1.04°, y D3 con ángulo mágico θ ≈ 1.1°. Para los dispositivos D1 y D2 se observan estados superconductores que no están asociados a estados aislantes correlacionados, como ocurre en el dispositivo D3. El dispositivo D1 bajo un campo magnético longitudinal B con un ángulo pequeño, para semillenado, muestra estados aislantes topológicos con un número de Chern igual a dos para |B| > 0.4 T, mientras que muestra un domo superconductor para |B| < 0.4 T; así, los estados aislantes para semillenado ausentes en el estado superconductor reaparecen tras aplicar campos magnéticos que destruyen dicho estado.

Por supuesto, aunque los estados aislantes correlacionados y los estados superconductores compitan entre sí, los nuevos resultados no implican que el MATBG deje de ser un dispositivo perfecto para estudiar estos estados de forma independiente. Sin lugar a dudas, el gran descubrimiento del grupo de Jarillo-Herrero en marzo de 2018 tendrá una larga vida en el campo de la materia condensada. El nuevo artículo es Petr Stepanov, Ipsita Das, …, Dmitri K. Efetov, «Untying the insulating and superconducting orders in magic-angle graphene,» Nature (06 Jul 2020), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2459-6, arXiv:1911.09198 [cond-mat.supr-con] (20 Nov 2019). La clave del nuevo trabajo es la variación de la distancia entre el MATBG y el contacto metálico inferior, idea propuesta en Zachary A. H. Goodwin, …, Dmitri K. Efetov, …, Johannes Lischner, «Critical role of device geometry for the phase diagram of twisted bilayer graphene,» Physical Review B 101: 165110 (09 Apr 2020), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.101.165110.

Por cierto, ¿para qué sirve el MATBG? Una aplicación nicho puede ser el desarrollo de nanocalorímetros para fotones de terahercios, propuesta en Paul Seifert, Xiaobo Lu, …, Dmitri K. Efetov, «Magic-Angle Bilayer Graphene Nanocalorimeters: Toward Broadband, Energy-Resolving Single Photon Detection,» Nano Letters 20: 3459–3464 (21 Apr 2020), doi: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c00373; estos dispositivos capaces de detectar un solo fotón podrían tener aplicaciones prácticas en radioastronomía y en el procesado cuántico de información.

Sobre la observación directa de las bandas planas en el MATBG recomiendo Simone Lisi, …, Dmitri K. Efetov, Felix Baumberger, «Direct evidence for flat bands in twisted bilayer graphene from nano-ARPES,» Nature Materials (submitted), arXiv:2002.02289 [cond-mat.str-el] (06 Feb 2020). Sobre la asociación entre las bandas planas en dispositivos de moiré y la superconductividad recomiendo Leon Balents, …, Dmitri K. Efetov, Andrea F. Young, «Superconductivity and strong correlations in moiré flat bands,» Nature Physics 16: 725-733 (2020), doi: https://doi.org/10.1038/s41567-020-0906-9,

En este blog recomiendo leer «Nueva sorpresa en la superconductividad del grafeno bicapa rotado con ángulo mágico», LCMF, 28 jun 2019, sobre el artículo de Xiaobo Lu, Petr Stepanov, …, Dmitri K. Efetov, «Superconductors, orbital magnets and correlated states in magic-angle bilayer graphene,» Nature 574: 653-657 (30 Oct 2019), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-019-1695-0arXiv:1903.06513 [cond-mat.str-el] (15 Mar 2019).

Los sistema electrónicos fuertemente correlacionados exhiben muchos órdenes emergentes y multitud de interacciones entre ellos. La coexistencia de estados superconductores no convencionales y de fases aislantes correlacionadas en los cupratos, pnicturos y sistemas de fermiones pesados sugiere que hay una relación íntima entre ambos fenómenos. Jarillo-Herrero propuso el MATBG como material ideal para estudiar este fenómeno (LCMF, 06 mar 2018); pero hay críticos que afirman que la relación entre ambos fenómenos podría ser aparente. Para decidir esta cuestión se requiere la fabricación de alta precisión de dispositivos MATBG con un ángulo mágico θ ≈ 1.1º constante en toda la superficie del dispositivo, algo en lo que se ha especializado el grupo de Efetov en el ICFO (Institut de Ciencies Fotoniques, Barcelona, España). Así se pueden comparar las predicciones teóricas para el modelo de Mott–Hubbard con las observaciones experimentales; en dicho modelo los estados aislantes aparecen cuando la energía de Coulomb por sitio U y la energía cinética de los electrones t cumple que U/t ≫ 1.

Para variar el cociente U/t, el grupo de Efetov usa un dispositivo con una estructura grafito / hBN / MATBG / hBN, donde hBN es nitruro de boro hexagonal. Se estudia la variación combinada del ángulo de rotación θ y del grosor w de la capa de hBN entre el grafito y el MATBG. Así se han fabricado dispositivos con w ≈ 7 nm, θ ≈ 1.15º (D1); w ≈ 9.8 nm, θ ≈ 1.04º (D2); y w ≈ 12.5 nm, θ ≈ 1.10º (D3). Como muestra la figura que abre esta pieza, los estados aislantes correlacionados no se observan para los dispositivos más delgados (D1 y D2), aunque aparecen estados superconductores con temperaturas críticas que cambian muy poco. Por tanto, los estados superconductores persisten incluso en ausencia de estados aislantes, un resultado que no se había observado en estudios previos (quizás porque se usaba una w > 30 nm). Este resultado sugiere que los estados superconductores y aislantes compiten entre así, en lugar de compartir un origen común. Si futuros estudios lo confirman, significará que el MATBG no parece ser un buen modelo para la superconductividad no convencional en cupratos.

El dopado del dispositivo mediante el voltaje de puerta Vg sobre la capa de grafito permite controlar la densidad de portadores n (que se suele normalizar por la densidad de llenado ns); así se habla de factor de llenado ν = 4 n/ns; así los estados de llenado son ν = –4, –3, –2, –1, 0, 1, 2, 3, y 4, siendo el punto de neutralidad de carga para las bandas planas ν = 0 y los estados de semillenado ν = ± 2; recuerda que los valores positivos corresponden a cuasipartículas de tipo electrón en la banda de conducción y los valores negativos a cuasipartículas de tipo hueco en la banda de valencia.

Esta figura muestra la resistividad ρxx en función del factor de llenado ν para los dispositivos D1–D3 cuando se varía la temperatura T desde 20 mK hasta 5 K. Para semillenado, los dispositivos D1 y D2 muestran un comportamiento metálico, mientras D3 muestra estados aislantes fuertemente correlacionados. Sin embago, alrededor de estos estados de semillenado aparecen domos superconductores; para el dispositivo D1 dos domos con temperaturas críticas Tc ≈ 920 mK (ν = –2) y Tc ≈ 420 mK (ν = 2), para el dispositivo D2 tres domos con temperaturas críticas Tc ≈ 400 mK (ν = –2), y Tc ≈ 500 mK (ν ≲ 2) y Tc ≈ 650 mK (ν ≳ 2), mientras que para el dispositivo D3 se observan varios domos alrededor de diferentes niveles de llenado con temperaturas críticas Tc desde 150 mK hasta 3 K.

La aplicación de un campo magnético paralelo con un pequeño ángulo conduce a la formación de estados aislantes topológicos con número de Chern igual a dos. Esta figura muestra las resistividades Rxx y Rxy en función del campo magnético aplicado |B| ≤ 3 T y la densidad de portadores; se muestra la forma de cuña predicha para u aislante de Chern. Para campos bajos, B ≈ 0.4 T, se observan los plateaus cuantizados predichos para la resistencia Hall para Rxyh/(2 e2) = 12.9 kΩ (donde e es la carga del electrón y h es la constante de Planck), acompañanada de Rxx ≈ 0 Ω. Si se recorre la figura para ν = −2 a B = 0, se observa una cuña en la figura cuyos bordes cumplen dn/dB = 2 e/h, como se espera para un estado con número de Chern igual a 2.

En resumen, los resultados publicados en Nature apuntan a que un origen independiente de la superconductividad y de los estados aislantes correlacionados en el MATBG cerca del ángulo mágico; así también debería serlo para dicho ángulo. Si estudios independientes confirman estas observaciones, resultará que el MATBG no es un buen modelo de la superconductividad no convencional en cupratos, pnicturos y sistemas de fermiones pesados. Así se diluiría la esperanza de resolver el gran problema de la materia condensada usando el MATBG, lo que no quita que siga siendo un material muy interesante para estudiar estos fenómenos de forma independiente. Sin lugar a dudas, cuanto más sabemos del MATBG más fascinante parece.



3 Comentarios

  1. Una pregunta un poco offtopic:
    ¿Cuál es la mejor manera de acceder a papers? Hay que estar suscrito a todas las revistas por si te interesa alguno? Hay alguna formula de poder acceder a cualquier revista centralizando los pagos y que sea más económico? O descargar pagando aquellos que más te interesen?

    1. No me consta que haya un servicio económico de acceso. Los científicos afiliados a instituciones (universidades, organismos públicos y privados de investigación, etc.) accedemos a través de los servicios bibliotecarios que se ofrecen (acceso a ciertas revistas, pero no a todas). Al resto de los artículos se suele acceder en las páginas web de los autores (Google Scholar suele ayudar mucho a buscar dichos artículos), o solitándoles a ellos una copia (suelen contestar enviando el PDF casi siempre), o mediante servicios piratas (como Sci-Hub), o mediante intercambio con otros investigadores que tienen acceso desde sus instituciones. Pero no siempre se puede acceder a todo (y pagar, yo, nunca pago, me niego; si el autor es ilocalizable, considero su trabajo irrelevante).

      1. Te agradezco la información Francisco. Para ponerte en contexto yo soy docente de secundaria, el año que viene daré por primera vez matemáticas (ESO, Bachillerato) y tengo que diseñar la programación, la que hay es muy «clásica». Soy ingeniero de formación y en todas las materias que doy me gusta aprovecho mi experiencia profesional para dar ejemplos de aplicaciones, curiosidades…. y en formación profesional es más fácil. Para introducir matemáticas es más difícil. Si por ejemplo quieres generar interés por la topologia es mejor empezar por aplicaciones interesantes como el descubrimiento de la doble hélice (ADN), explicar un poco la batallita entre Wilkins, Franklin, Crick, Watson, Pauling….Como cuando hablas del cálculo ellos agradecen el salseo este entre Newton y Leibniz. Lo de los papers me dan ideas, es un ejemplo de formalidad matemática y científica etc

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