La superconductividad en el grafeno tricapa ABC (o romboédrico) está mediada por fonones acústicos

Por Francisco R. Villatoro, el 26 octubre, 2021. Categoría(s): Ciencia • Física • Nanotecnología • Noticias • Physics • Science ✎ 10

La superconductividad en el grafeno tricapa ABC (o romboédrico) parecía convencional (LCMF, 03 sep 2021); al menos en sus estados SC1, que emerge de un estado paramagnético, y SC2, que parece emerger de uno ferromagnético —el posible estado SC3 es harina de otro costal—. El grupo de Sankar Das Sarma publica en Physical Review Letters un modelo teórico que lo ratifica, explicando el estado SC1 como un estado singlete de tipo onda-s y el estado SC2 como un estado triplete de tipo onda-f; en ambos casos los electrones forman pares de Cooper mediados por fonones acústicos. Además de ajustar bien las observaciones, predice que la temperatura crítica máxima será de Tc ∼ 3 K cerca de la singularidad de Van Hove en la estructura de bandas. Si este modelo se confirma (pues realiza varias predicciones que tendrán que ser confrontadas con los experimentos), resultará que el ferromagnetismo y el estado superconductor SC2 tienen un origen diferente.

Te recuerdo que, a pesar de que algunos expertos opinen lo contrario, todo apunta a que la superconductividad convencional en el grafeno tricapa ABC no explica la superconductividad en el grafeno bicapa rotado con ángulo mágico y en otros dispositivos de moiré; por ahora, todo indica que en estos últimos la superconductividad no convencional (LCMF, 21 oct 2021). Por cierto, los fonones (vibraciones de los átomos de la red cristalina) se clasifican en acústicos, si el movimiento de los átomos es coherente y está en fase, y ópticos, si el movimiento no está en fase con un átomo oscilando en un sentido y el átomo más cercano en sentido contrario. El nuevo modelo teórico del grafeno tricapa ABC predice que el efecto de los fonones ópticos es despreciable comparado con los fonones acústicos. Además, la función de onda del estado superconductor tiene momentos angulares de espín y orbital; un estado singlete S=0 tiene los espines de los electrones en los pares de Cooper en sentidos opuestos y en un estado triplete S=1 están el mismo sentido; por otro lado, el momento angular orbital puede tener valores L=0 (onda-s), L=1 (onda-p), L=2 (onda-d), L=3 (onda-f), etc. Según el nuevo modelo el estado SC1 tendría S=0 y L=0, y el estado SC2 tendría S=1 y L=3.

El nuevo artículo es Yang-Zhi Chou, Fengcheng Wu, …, and Sankar Das Sarma, «Acoustic-Phonon-Mediated Superconductivity in Rhombohedral Trilayer Graphene,» Physical Review Letters 127: 187001 (25 Oct 2021), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.187001, arXiv:2106.13231 [cond-mat.supr-con] (24 Jun 2021).

[PS 27 oct 2021] Los autores han propuesto que el grafeno bicapa tipo Bernal (como el del grafito) también debe ser un superconductor convencional de tipo onda-f, con una temperatura crítica de Tc ∼ 20 mK; habrá que esperar a su verificación (o refutación) por parte de los físicos experimentales (no parece fácil en un plazo corto). El artículo es Yang-Zhi Chou, Fengcheng Wu, …, Sankar Das Sarma, «Acoustic-phonon-mediated superconductivity in Bernal bilayer graphene,» arXiv:2110.12303 [cond-mat.supr-con] (23 Oct 2021). [/PS]

El grafeno tricapa ABC es un alótropo metaestable del carbono; su ventaja respecto al grafeno rotado con ángulo mágico es que se puede fabricar sin defectos y sin ambigüedades (con los dispositivos rotados nunca se conoce con exactitud el ángulo de rotación). Su estructura cristalina se muestra en esta figura y difiere de la estructura cristalina del grafito, que es de tipo Bernal o ABA; fabricar el grafeno ABC está al alcance de cualquier laboratorio de nanotecnología (de hecho, ya se logró en 2011). Los estados electrónicos del grafeno tricapa muestran una simetría SU(2)×SU(2), asociada a la simetría SU(2) de cada espín en cada valle (átomo de carbono de la celda unidad del grafeno) en su estructura de bandas; esta simetría es clave en el nuevo modelo teórico e introduce un «sabor» (flavor), análogo al término usado en el modelo estándar para describir las tres familias de partículas que se conocen; además, permite que los estados electrónicos estén «polarizados en sabor» (f).

Los estados electrónicos se clasifican por su llenado de sabor f, el número de estados por espín y por valle que están ocupados (recuerda que hay dos valores del espín ±1/2 y que hay dos valles en el grafeno). El estado de llenado f = 1 corresponde a un estado polarizado con cierto espín en un único valle; f = 2 es un estado sin polarizar en un valle ocupado con dos espines de direcciones opuestas; y f = 4 es un estado sin polarización de sabor con los dos valles ocupados por dos espines de direcciones opuestas. Cuando ambos valles están ocupados por espines en la misma orientación, el grafeno tricapa ABC se encuentra en un estado medio-metálico (half-metal), que conduce los electrones con el espín opuesto, pero que es aislante para los que tienen dicha orientación de espín; cuando solo un valle está ocupado, se encuentra en un estado cuarto-metálico (quarter-metal), que conduce electrones solo en dicho valle y con espín en la orientación opuesta. Así la densidad de estados (DOS) depende del nivel de dopaje y de la polarización de sabor (como ilustra la figura).

El modelo teórico predice que el estado SC1 puede mantenerse hasta una temperatura crítica máxima de Tc ∼ 0.5 K, un valor cinco veces mayor que las observaciones experimentales (LCMF, 03 sep 2021), Tc ∼ 0.1 K. Y para el estado SC2 predice una temperatura crítica máxima de Tc ∼ 1.6 K, que es unas treinta veces mayor que la estimación experimental, Tc ∼ 0.05 K. La repulsión de Coulomb debido a las impurezas en los dispositivos podría explicar que Tc en los experimentos sea mucho más pequeña que en el modelo teórico. Más aún, el modelo teórico predice que en el estado SC2 se podría alcanzar hasta Tc ∼ 3 K si se observa cerca de la singularidad de Van Hove (un punto de silla) en la estructura de bandas; seguro que los físicos experimentales ya estarán trabajando en esta observación.

Hay otras predicciones del modelo teórico que guiarán a los físicos experimentales. Por ejemplo, un campo Zeeman intenso destruirá el estado SC1 (el estado de onda-s), pero no afectará al estado SC2 (el estado de onda-f); en los experimentos publicados en Nature se observó lo primero, pero no se observó ninguna superconductividad reentrante. Los teóricos apuntan a que la fase SC2 es mucho más vulnerable al desorden del sistema que la fase SC1 y por ello no se observó (futuros experimentos tendrán que explorar con más detalle esta explicación). También se predice una resistividad lineal con la temperatura ρ ∝ T, para T > TBG/4 (donde TBG es la temperatura de Bloch–Grüneisen asociada a la dispersión (scattering); se estima que se observará para T > 20 K más allá del estado superconductor.

En resumen, disponer de un modelo teórico que explique la superconductividad convencional en el grafeno tricapa ABC nos permite explorar este material desde muchos puntos de vista; a falta de la confirmación experimental de sus predicciones, solo puedo decir que el modelo es muy sencillo y que explica de forma razonable todas las observaciones actuales. Los autores sugieren que un modelo similar podría explicar la superconductividad en los materiales de moiré, como los grafenos bicapa y tricapa rotados con ángulo mágico; sin embargo, no lo creo, pues hay múltiples indicios que apuntan a superconductividad no convencional en estos materiales. Se han propuesto muchos modelos teóricos, pero hasta que no se puedan fabricar los dispositivos con gran calidad y sin defectos no se podrá determinar cuál es el modelo que mejor describe dichos materiales; aún así, a día de hoy, todo apunta a que se trata de superconductividad no convencional.



10 Comentarios

    1. Con un temperatura crítica de menos de 3 Kelvin es (casi) imposible que los transistores superconductores (en los que un material superconductor bidimensional se coloca sobre un sustrato semiconductor) puedan competir con los transistores semiconductores a temperatura ambiente (a pesar de sus otras ventajas).

  1. ¿Funcionarán igual los superconductores formados por hidrocarburos aromaticos policiclicos ( HAP )? Yo había estado viendo la relación Tc – E ( plasmon, exciton de transferencia de carga, Debye, … ), en una Ec.

  2. ¿ Podrían haber un fenómeno de conductividad mayor que el de superconductividad. Una hiperconductividad o una plus ultra conductividad electronica; y si no es así, por que?

    1. Nanonis, prefijo «super-» en la palabra superconductividad no tiene significado, así que no tiene sentido usar otros prefijos más superlativos. La superconductividad es la conductividad con resistencia cero, nada más (no es superior en ningún sentido a la conductividad con resistencia positiva).

  3. En el libro » RoomTemperature Superconductivity » https://arxiv.org/pdf/condmat/0606187&ved=2ahUKEwjn9djCpMH0AhVgBmMBHSFzDHEQFnoECAQQAQ&usg=AOvVaw0sCyHnelWnXkgxU3uN63Vj , Andrei Marouchkine, cuenta en la página 271. Electron Vs holes » generaly speaking for room-temperature superconductivity, is not important whether quasiparticles in the material are electron or hole like. However it is an experimental fact tha, in solids, strength of electron -phonon interacción is a few time weaker than the strength of hole-phonon interaction. Therefore it is most likely that in a room-temperature superconductor , the quasiparticle will be hole-like». ¿ Por qué huecos y no electrones ?

    Lo de que pudiese existir resistencia homica positiva y negativa, no lo sabia.http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/electric/ohmmic.html Si había leído algo sobre las resistencias NTC y PTC (Thermistores )https://www.digikey.es/es/blog/basics-of-ntc-and-ptc-thermistors El efecto invernadero del constatan y la manzanita, es curioso.

    1. Naonis, nadie sabe por qué la superconductividad mediada por fonones prefiere la interacción entre cuasipartículas de tipo hueco. En cuanto a la resistencia negativa hay que recordar que la resistencia es la derivada de la curva intensidad-voltaje, R = dI/dV, y que hay materiales activos (como diodos semiconductores) con una curva que no es monótona y presenta mínimos y máximos (de ahí que haya regiones con resistencia negativa); pero, recuerda, la ley de Ohm afirma que V = I × R y no existe ningún material que cumpla esta ley con R < 0 (así que no me parece correcto hablar de resistencia óhmica negativa, aunque se puede hablar de resistencia negativa).

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