Nuevos indicios de superconductividad no convencional en el grafeno bicapa rotado con ángulo mágico

Por Francisco R. Villatoro, el 21 octubre, 2021. Categoría(s): Ciencia • Física • Nanotecnología • Nature • Noticias • Physics • Science ✎ 1

La emergencia de la superconductividad en el grafeno bicapa rotado con ángulo mágico (MATBG) fue la gran sorpresa del año 2018 (LCMF, 06 mar 2018). Se sugirió que no era convencional (no estaba descrita por la teoría BCS de Bardeen–Cooper–Schrieffer); sin embargo, indicios recientes apuntaban a que lo era. Se acaban de publicar en Nature que la espectroscopia de transmisión por reflexión de Andreev confirma que la superconductividad del MATBG no es convencional. La temperatura crítica Tc es inconsistente con una superconductor de tipo onda-s, apuntando a un superconductor nodal con un mecanismo anisótropo de formación de pares de Cooper. El cociente entre el gap ΔT observado y la predicción BCS es 2ΔT/kBTc ~ 25, y para el gap de Andreev ΔAR es de 2ΔAR/kBTc ~ 6; ambos resultados y la persistencia del gap ΔT cuando se suprime la superconductividad apuntan a la emergencia de una fase de tipo pseudogap. Cuando se alinea el MATBG con hBN (nitruro de boro hexagonal) estos fenómenos desaparecen. Múltiples indicios que apuntan a un mecanismo más allá del BCS.

El diagrama de fases propuesto para el MATBG en función del factor de llenado (ν) y el campo magnético transversal aplicado (B), para dopado con huecos (ν < 0), se muestra de forma esquemática en la figura. Se observan niveles de Landau (–3 ≤ νLL ≤ –1) y estados aislantes con número de Chern entre –3 y –1. El estado superconductor para niveles de llenado –3 < ν < –2, a la izquierda del aislante correlado (CI) para ν = –2, está rodeado de un estado de tipo pseudogap (PS); que el estado PS sobreviva a campos magnéticos tan grandes como 6 T indica se considera un indicio firme de que la fase superconductora para pequeños campos magnéticos (< 0.1 T) es de tipo no convencional. Sin lugar a dudas, todo apunta a una futura confirmación de la idea que lanzó el español Pablo Jarillo-Herrero en 2018, cuando afirmó que el MATBG era un superconductor no convencional (su afirmación de que los estados aislantes correlacionados que se observan son de tipo Mott no ha superado el paso del tiempo).

El artículo es Myungchul Oh, Kevin P. Nuckolls, …, Ali Yazdani, «Evidence for unconventional superconductivity in twisted bilayer graphene,» Nature (20 Oct 2021), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-021-04121-x, arXiv:2109.13944 [cond-mat.supr-con] (28 Sep 2021).

Te recuerdo que el grafeno bicapa rotado con ángulo mágico son dos monocapas de grafeno puestos una sobre la otra pero rotadas con un ángulo muy pequeño (~1.1 °); el MATBG presenta una estructura de bandas aplanada debido a la estructura de moiré que se observa en la distribución de carga de sus portadores. Los portadores (cuasipartículas de tipo electrón y hueco) se sitúan en los puntos AA de la superred de moiré (fuera de los puntos AB y BA). En cada uno de estos puntos AA se pueden situar hasta cuatro portadores (sean electrones o huecos). En los nuevos experimentos el MATBG se sitúa encima de un sustrato de hBN/SiO2/Si, usando el voltaje de puerta Vg aplicado al Si para ajustar la densidad de portadores (dopar electrónicamente el material); se estudian tres dispositivos, el A con un ángulo de 1.13 °, el B con 1.06 °, y el C con 1.08 °.

La figura muestra la espectroscopia de efecto túnel en el punto AA del patrón de moiré en el material. El parámetro clave es el factor de llenado ν de las bandas de conducción (Vs > 20 mV), con 0 < ν < +4 electrones, y de valencia (Vs < −20 mV), con −4 < ν < 0 huecos; para ν = 0 se tiene el punto de neutralidad de carga (CNP) y para ν = ±4 las bandas están llenas de portadores y se observan estados aislantes. Este artículo se centra en la superconductividad observada para −3 < ν < −2; el espectro túnel dI/dV(Vs, Vg) muestra un gap para ν = −2 que se abre y cierra en el nivel de Fermi (EF) conforme Vg decrece, seguido de la apertura de un nuevo gap que persiste entre −3 < ν < −2 para el estado superconductor (curva azul); se observa un aislante fuertemente correlacionado (CI) para ν = −2 (curva roja). Para el estado superconductor el gap ΔT es claramente mayor que kBTc.

En la interfaz entre un conductor normal y un superconductor se puede producir la reflexión de Andreev; un electrón en el conductor alcanza la interfaz produciendo un par de Cooper (dos electrones emparejados) en el superconductor y produciendo un hueco reflejado en el conductor. Los espectros observados sugieren la existencia de una reflexión de Andreev entre los electrones en la punta metálica del microscopio de efecto túnel (STM) y el MATBG superconductor (como ilustra la figura en la parte izquierda). Las señales de la reflexión de Andreev se observan para llenados −3 < ν < −2, con campos magnétios B < Bc ~ 50 mT, y temperaturas T < Tc ~ 1.2 K. Confirma estas observaciones las medidas mediante espectroscopia de efecto túnel (STS).

El ajuste del espectro de reflexión de Andreev (figura de la izquierda) mediate un modelo teórico (BTK) permite estimar el gap de Andreev en ΔAR ~ 0.3 meV , que es entre 3 y 5 veces menor que ΔT. Para Tc ≈ 1.2 K se observa un cociente 2ΔT/kBTc ~ 25, que excede con mucho lo esperado según la teoría BCS (2ΔMF/kBTc = 3.53); además, el cociente de energía de Andreev 2ΔAR/kBTc ~ 6 también es mayor de lo predicho por la teoría BCS. Estos fenómenos desaparecen por encima de los valores críticos de temperatura Tc y campo magnético (figura de la derecha).

En resumen, el nuevo artículo publicado en Nature aporta gran número de indicios que apuntan a superconductividad no convencional en el grafeno bicapa rotado con ángulo mágico. Este resultado está en contra de lo que sugirieron muchos medios tras la observación de superconductividad (aparentemente convencional) en el grafeno tricapa ABC (LCMF, 03 sep 2021). Por supuesto, dado que la fabricación de dispositivos MATBG sin defectos es muy difícil y que las observaciones experimentales varían mucho de un dispositivo a otro, todavía no se puede afirmar fuera de toda de duda que sea un superconductor no convencional; sin embargo, si parece un pato, nada como un pato y grazna como un pato, es probable que sea un pato. Sin lugar a dudas el desarrollo de nuevos modelos teóricos más allá del paradigma BCS para el MATBG será impulsado por este nuevo resultado.



1 Comentario

  1. Gracias por el articulo, sin lugar a dudas un campo de investigación muy interesante donde se destaca el trabajo del español Jarillo-Herrero y su grupo, al parecer nos esperan sorpresas en la búsqueda de una teoría que explique las nuevas observaciones!

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