El grafeno tricapa ABC (o romboédrico) es superconductor

Por Francisco R. Villatoro, el 3 septiembre, 2021. Categoría(s): Ciencia • Física • Nanotecnología • Nature • Noticias • Physics • Science

La superconductividad en el grafeno bicapa rotado con ángulo mágico (MATBG) fue la gran noticia del año 2018 en Física (LCMF, 06 mar 2018; 17 sep 2018). Fabricar dispositivos con un ángulo mágico preciso e uniforme es tan difícil que no hay observaciones experimentales replicables. Se ha buscado con ahínco la superconductividad en el grafeno tricapa hexagonal (o ABA, o tipo Bernal) pero no se ha observado. Se publica en Nature  la sorprendente observación de la superconductividad en el grafeno tricapa romboédrico (o ABC). Un alótropo metaestable del carbono (a diferencia del ABA, que es estable) cuya síntesis es difícil (la mayoría de los intentos acaban con el ABA), pero que cuando tiene éxito resulta en un cristal sin defectos que permite una medida repetible de sus propiedades. En el grafeno tricapa ABC (gtABC) se han observado tres estados superconductores (SC1, SC2 y SC3), pero el nuevo artículo solo discute los dos primeros. Todo un hito del grupo liderado por Andrea F. Young (UCSB), que ha logrado publicar dos artículos en el mismo número de Nature, repitiendo el logro del español Pablo Jarillo-Herrero (MIT) en 2018.

En este tipo de dispositivos la temperatura crítica es irrelevante (ya que es muy pequeña para que tenga interés aplicado). Los estados superconductores SC1 y SC2 aparecen al dopar eléctricamente con huecos el gtABC; en el estado SC1 del gtABC se ha medido una temperatura crítica de TBKT = 106 mK (BKT hace referencia al modelo de Berezinskii–Kosterlitz–Thouless); para el estado SC2 no se ha podido medir la temperatura crítica, pues resulta comparable a la temperatura base del sistema de medida (T ≲ 20 mK). No importa, ya se medirá en un futuro cercano, pues la fabricación del nuevo dispositivo superconductor de grafeno es replicable (evitar un proceso de ajuste manual del ángulo mágico pone la fabricación al alcance de cualquiera). El campo magnético transversal crítico para los estados superconductores es BC⊥ ≈ 10 mT para SC1 y BC⊥ ≈ 1 mT para SC2, lo implica longitudes de coherencia ξ de 200 nm y 600 nm, respectivamente; se estima el camino libre medio ≳ 3.5 µm, y un parámetro de desorden d = ξ/ < 0.1. Y lo más relevante, para campos magnéticos longitudinales B, SC1 cumple el llamado límite de Pauli, lo que sugiere que se puede describir mediante la teoría BCS para estados singletes (tipo s); sin embargo, SC2 viola dicho límite en un orden de magnitud, lo que sugiere que se debe describir con estados tripletes (tipo p). Aún así, todo apunta a que los estados SC1 y SC2 del gtABC son de superconductividad convencional mediado por fonones.

Todo apunta a que el origen microscópico de la superconductividad en el grafeno tricapa ABC será desvelado en poco tiempo. En algunos medios se sugiere que en dicho caso se podría aclarar el origen en los dispositivos de grafeno de tipo moiré, como los grafenos bicacapa y tricapa rotados con ángulo mágico; lo siento, pero no lo creo, ya que en ellos hay muchos indicios que apoyan que su superconductividad es no convencional. Los artículos son Haoxin Zhou, Tian Xie, …, Andrea F. Young, «Superconductivity in rhombohedral trilayer graphene,» Nature (01 Sep 2021), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-021-03926-0, arXiv:2106.07640 [cond-mat.mes-hall] (14 Jun 2021), y Haoxin Zhou, Tian Xie, …, Andrea F. Young, «Half and quarter metals in rhombohedral trilayer graphene,» Nature (01 Sep 2021), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-021-03938-w, arXiv:2104.00653 [cond-mat.mes-hall] (01 Apr 2021). A nivel divulgativo recomiendo leer a Charlie Wood, «La superconductividad en el grafeno podría ser menos exótica de lo esperado,» Investigación y Ciencia, 31 ago 2021 (traducción al español de Quanta Magazine, 14 Jun 2021).

La superconductividad en el grafeno tricapa ABC se anunció en la charla “Easy as ABC” el pasado 14 de junio de 2021 por Andrea Young (Univ. California Santa Barbara); la charla forma parte del ciclo de conferencias en honor a la física Janet Das Sarma (1971–2019) de la Universidad de Maryland —Leni Bascones me hizo notar en Twitter que, hasta ahora, ninguna charla de este ciclo de conferencias dedicado a esta mujer ha sido impartida por una mujer, un #AllMalePanel en toda regla, algo sorprendente cuando menos—. En la charla se comenta la existencia de un tercer estado superconductor (SC3) para dopado con electrones, pero se comenta que no han podido caracterizar su «fermiología» y que por ello no lo discuten en los dos nuevos artículos —obviamente, están en ello y quieren publicar un tercer artículo con el mismo dispositivo—.

La estructura cristalina del grafito es de tipo Bernal o ABA; hasta donde sabemos el grafito no es superconductor, como tampoco lo es el grafeno (en ambos casos no se puede descartar una temperatura crítica por debajo de lo medible hasta ahora). Ya en 2011 se logró fabricar el grafeno tricapa, tanto con estructura ABA (estable) como con ABC (metaestable); ya entonces se observó que en el gtABC un campo eléctrico intenso (0.3 V/nm) inducía la aparición de un salto de banda (band gap) de hasta 120 meV (en el gtABA no se observó). Una década en técnicas de fabricación de nanodispositivos es mucho tiempo, así que podemos estar seguros de que fabricar el gtABC está al alcance de cualquier laboratorio de nanotecnología. Más información sobre este hito en Chun Hung Lui, Zhiqiang Li, …, Tony F. Heinz, «Observation of an electrically tunable band gap in trilayer graphene,» Nature Physics 7: 944-947 (25 Sep 2011), doi: https://doi.org/10.1038/nphys2102, arXiv:1105.4658 [cond-mat.mes-hall] (24 May 2011).

Esta figura muestra la técnica de fabricación de los dos dispositivos estudiados (sí, lees bien, solo se han estudiado y caracterizado dos dispositivos). El grafeno tricapa ABC se han preparado mediante exfoliación mecánica y se ha verificado mediante espectrometría (a 488 nm) que su estructura cristalina es romboédrica. Se encuentra situado sobre un sustrato de SiO₂ y bajo una multicapa de hBN (nitruro de boro hexagonal). Según el nuevo artículo en Nature, el hBN no juega ningún rol en los estados superconductores observados (recuerda que se observó en 2019 la superconductividad en una tricapa formada por grafeno bicapa y hBN monocapa).

Esta figura muestra el inverso del módulo de compresibilidad electrónica, κ = ∂μ/∂ne (donde μ es el potencial químico y ne la densidad de carga de los portadores), tanto para huecos, ne < 0, como para electrones, ne > 0, en función de la densidad de flujo eléctrico D (también llamado desplazamiento eléctrico). Los estados superconductores (SC1, SC2 y SC3) se observan en regiones de compresibilidad electrónica negativa, κ < 0. En la parte de abajo de la figura se muestra el diagrama de bandas del gtABC, mostrando la existencia de singularidades de van Hove (picos no diferenciables en la densidad de estados ρ asociados a valores extremos (máximos, mínimos y puntos de silla) en la estructura de bandas).

El segundo artículo estudia el magnetismo en el gtABC tanto dopando con electrones (más sencillo y fácil de explicar con el modelo de Stoner) como con huecos (que presenta superficies de Fermi con una topología no trivial). Esta figura muestra este segundo caso: abajo (figuras f y g) aparece el espectro fν (la transformada de Fourier) de la comprensibilidad eléctrica (κ) cuando se aplica un campo magnético transversal de B = 1 T (figura a). Se observan estados metálicos (full-metal), con las cuatro bandas llenas (fν = 1), semi-metálicos (half-metal), dos bandas llenas (fν = 1/2), y cuarto-metálicos (quarter-metal), con una sola banda llena (fν = 1/4). Además se observa que la superficie del nivel de Fermi adquiere forma de anillo triangular (véase la figura f), que acaba descomponiéndose en tres regiones no conectadas (véase la figura g). Así el segundo artículo en Nature del grupo de Young proclama la observación y caracterización de estados semi- y cuarto-metálicos en el gtABC (el segundo artículo de Jarillo-Herrero en 2018 proclamaba la observación de estados aislantes fuertemente correlacionados que parecían tipo Mott en el MATBG).

El objetivo de los dos trabajos publicados en Nature es estudiar la competencia entre el ferromagnetismo y la superconductividad, que se puede entender desde el punto de vista de la densidad de estados electrónicos (pues cuando es alta favorece ambos estados). El estado superconductor SC1 es el más fácil de explicar; de hecho, al aplicar un campo magnético longitudinal B, variando la temperatura, se observa que sigue muy bien las predicciones de la teoría BCS de la superconductividad para acoplamiento débil. Al calcular el llamado límite de Pauli se obtiene un valor de 1.7, próximo a la predicción teórica de 1.23 (obtenida a temperatura cero cuando no se tienen en cuenta los efectos de la repulsión coulumbiana). Así se interpreta que cumple con el límite de Pauli y se puede describir muy bien usando la superconductividad convencional para estados s (singletes o de espín cero, es decir, cuyos pares de Cooper tienen los espines de sus electrones en direcciones opuestas).

Todo lo contrario le ocurre al estado SC2 cuando se aplican campos magnéticos longitudinales (B). Estimar el límite de Pauli es mucho más difícil, pero el artículo presenta una estimación conservativa que apunta a que se viola en al menos un orden de magnitud (futuros estudios tendrán que clarificar este punto). El resultado apunta a que podría ser un superconductor convencional (descrito por la teoría BCS) de tipo p (triplete o de espín uno, es decir, cuyos pares de Cooper tienen los espines de sus electrones en la misma dirección). El estado SC2 emergería de un rotura de la simetría de isospín en un estado semi-metálico por formación de pares de Cooper mediados por fonones. En mi modesta opinión, los resultados presentados en el artículo no son del todo convincentes; futuros estudios teóricos tendrán que clarificar el origen con todo detalle (no parece difícil, sobre todo porque los resultados experimentales con un dispositivo tan replicable como el gtABC serán consistentes entre diferentes publicaciones, lo que guiará a los teóricos en su trabajo).

En resumen, la superconductividad en el gtABC es una gran sorpresa, aunque no es una sorpresa mayúscula, como fue la del MATBG (que acabará con el Premio Nobel para Pablo Jarillo-Herrero); de hecho, ya había indicios débiles de superconductividad en el gtABC desde 2019, en concreto en Nature Physics 15: 237-241 (2019), doi: https://doi.org/10.1038/s41567-018-0387-2, y  en Nature 572: 215-219 (2019), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-019-1393-y, que en parte motivaron esta nueva investigación. El gtABC es un sueño cumplido para muchos expertos (un dispositivo cuya fabricación sin defectos es factible para cualquiera), lo que promete un enorme impacto en el campo de la superconductividad. El grafeno tricapa ABC promete revolucionar nuestra comprensión de la superconductividad en el grafeno y en el grafito (quizás ambos son superconductores con temperaturas críticas por debajo de la escala de los mK). Pero, en mi opinión, no aportarán nada sobre la superconductividad con el grafeno tricapa rotado con ángulo mágico (al que dedicaré una próxima pieza en este blog), ni en el MATBG, ni en otros materiales bidimensionales de tipo moiré (espero estar equivocado). Habrá que estar al tanto de los progresos en este tipo de dispositivos.



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