Superconductividad de moiré en el grafeno multicapa rotado con ángulo mágico

Por Francisco R. Villatoro, el 17 agosto, 2022. Categoría(s): Ciencia • Física • Nature • Noticias • Physics • Science ✎ 19

En 2018 fue una sorpresa mayúscula que el grafeno bicapa con ángulo mágico (MATBG) es superconductor (LCMF, 06 mar 2018). En 2021 se observó también en el grafeno tricapa (MATTG) y ahora se ha observado en el tetracapa (MAT4G) y en el pentacapa (MAT5G), todos con sus respectivos ángulos mágicos. Nos lo muestra un reciente artículo del español Pablo Jarillo-Herrero (MIT, EEUU), padre de la twistrónica. Además, la superconductividad de estas multicapas no es convencional, es decir, no está descrita por la teoría BCS; aunque todavía se ignora cuál es su origen, se sabe que está asociado a las bandas planas en la estructura electrónica de estas multicapas de grafeno rotadas con ángulo mágico. En el nuevo artículo la bautizan como superconductividad tipo moiré; siendo el MATBG el arquetipo de superconductor de moiré, pues parece ser el más robusto de todos los MATNG con N>1.

En la estructura de bandas planas del MATNG solo intervienen 2 bandas electrónicas (una de valencia y otra de conducción), con las N−2 bandas restantes (para N>2) formando conos de Dirac. La densidad de estados en las bandas planas es de ns = 31/2 θ2/(8 a2), donde a = 0.246 nm es la constante de red del grafeno. Para describir la densidad de estados en las bandas planas, como eje de las figuras que muestran la resistividad en función de la temperatura, se usa el nivel de llenado ν = 4 n/ns, con −4 < ν < 4, tanto para «electrones» ν > 0 como para «huecos» ν < 0. Para el MATBG (MAT2G) y el MATTG (MAT3G) se observan estados aislantes fuertemente correlacionados para ν = ±2, rodeados por sendos domos superconductores con una temperatura crítica Tc,50% de hasta ∼3 K. También se observan para el MAT4G, pero con Tc,50% ∼2.76 K, y para el MAT5G, con ∼1.38 K. La gran diferencia es que la resistencia del estado normal de MAT4G y MAT5G es mucho más baja que la de MATBG y MATTG (debido a la presencia de los conos de Dirac que permiten estados de conducción adicionales). Los domos superconductores para MAT4G y MAT5G que se observan para ν = ±2 son más anchos que para MATTG y MATBG, empezando cerca de ν = ±1 y alcanzando más allá de ν = ±3 (en el caso de MAT5G se alcanza ν = +4). Este resultado sugiere que incrementar el número de capas podría incrementar la robustez de la superconductividad de moiré. Aunque la existencia de los conos de Dirac podría actuar de forma negativa para N grande.

La observación de la superconductividad en el grafeno multicapa rotado con ángulo mágico con hasta cinco capas es una gran noticia. con El artículo es Jeong Min Park, Yuan Cao, …, Pablo Jarillo-Herrero, «Robust superconductivity in magic-angle multilayer graphene family,» Nature Materials 21: 877-883 (07 Jul 2022), doi: https://doi.org/10.1038/s41563-022-01287-1arXiv:2112.10760 [cond-mat.supr-con] (20 Dec 2021). También se ha observado la superconductividad en el MAT4G en G. William Burg, Eslam Khalaf, …, Emanuel Tutuc, «Emergence of correlations in alternating twist quadrilayer graphene,» Nature Materials 21: 884-889 (07 Jul 2022), doi: https://doi.org/10.1038/s41563-022-01286-2, arXiv:2201.01637 [cond-mat.mes-hall] (05 Jan 2022).

Hay fuertes indicios de que la superconductividad en el MATNG no es convencional; entre otros, para el MATBG en Myungchul Oh, Kevin P. Nuckolls, …, Ali Yazdani, «Evidence for unconventional superconductivity in twisted bilayer graphene,» Nature 600: 240-245 (20 Oct 2021), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-021-04121-x, arXiv:2109.13944 [cond-mat.supr-con] (28 Sep 2021), y para el MATTG en Hyunjin Kim, Youngjoon Choi, …, Stevan Nadj-Perge, «Evidence for unconventional superconductivity in twisted trilayer graphene,» Nature 606: 494-500 (15 Jun 2022), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-022-04715-z.

En el MATBG dos monocapas de grafeno (MLG) se colocan una encima de otra rotadas con un ángulo θ entre ellas; la superconductividad se observa para el ángulo mágico θ2 = 1.1°. En una multicapa MATNG se colocan N monocapas rotadas con ángulos mágicos alternos (θN, −θN, θN, −θN, …); el ángulo mágico está dado por la fórmula θN = θ cos(π/(N+1)), donde θ = 2 θ2 = 2.2°, con lo que conforme N aumenta el ángulo mágico θN crece (θ3 = 1.57°, θ4 = 1.77° y θ5 = 1.95°). La característica fundamental del MATNG es la formación de un patrón de moiré triangular, cuya constante de superred decrece conforme N aumenta.

En el artículo de Jarillo-Herrero y sus colegas se ha estudiado la respuesta de la superconductividad de moiré a campos magnéticos paralelos al plano 2D de la muestra (B). Para el MAT2G se observa que la superconductividad se suprime para un valor un poco mayor, pero similar al límite paramagnético de Pauli para pares de Cooper singletes de la superconductividad convencional, BP = (1.86 T K−1) × Tc. Sin embargo, para el MAT3G la superconductividad persiste hasta campos magnéticos ∼ 3 veces mayores del límite de Pauli; lo mismo pasa para el MAT4G y el MAT5G aunque solo para campos ∼ 2 veces mayores que dicho límite. Este resultado apunta a que la superconductividad de moiré no es superconductividad convencional.

La pérdida del estado superconductor al aplicar un campo magnético paralelo es debida al efecto Zeeman sobre los pares de Cooper que depende del factor g de los electrones; el factor g es el número de magnetones de Bohr de su momento angular asociado a su espín, que para los electrones en un átomo es de g = 2.002. En el MATNG se puede asociar un factor g orbital (gorb) a los electrones. Un cálculo teórico indica que gorb ⪅ 2 para el MAT2G y gorb < 1 para MATNG con N>2 (como muestra la figura, abajo a la izquierda). Como resultado se esperaría cierta nematicidad (que la superficie de energía de Fermi mostrara cierta asimetría), sin embargo, como muestran las cuatro figuras de la parte derecha (marcadas 2L, 3L, 4L y 5L), se observa muy poca nematicidad para N>2. Sin lugar a dudas quedan muchas cosas por estudiar de las superconductividad de moiré en el MATNG, pero parece claro que es robusta y no convencional.

En resumen, la superconductividad en materiales twistrónicos es un campo muy activo tanto a nivel experimental como teórico. La superconductividad de moiré también promete ser un campo revolucionario, aunque todavía no tenemos una descripción teórico definitiva para ella. Hay muchos materiales de van der Waals (formados por monocapas atómicas) que también muestran estados electrónicos fuertemente correlacionados y algún tipo de superconductividad, que bien podría ser superconductividad de moiré. Sin lugar a dudas habrá que estar al tanto de los avances en este apasionante campo. Máxime cuando podría llevar a un futuro Premio Nobel de Física para el español Pablo Jarillo-Herrero.



19 Comentarios

    1. No, Rocker, se han propuesto varios dispositivos con MATBG (como dispositivos SQUID, diodos Josephson y transistores), pero en todos ellos el MATBG no puede competir con otros materiales. La aplicación nicho del MATBG todavía no se ha descubierto.

  1. Hola Francis
    1. Con grafeno se lograra superconductividad a temperatura ambiente?
    2. Cuando se logre un superconductor comercial de temperatura ambiente se podra eliminar que % de las perdidas en transporte de electricidad? no es 100%, esa sera la aplicacion principal?

    1. (1) No, Matias, no se puede alcanzar la temperatura ambiente (solo unos pocos kelvin). (2) Depende de si ese supuesto superconductor permite desarrollar cableado y si lo permite a bajo coste (ambas cosas son implausibles); la aplicación nicho de los superconductores es la generación de campos magnéticos (imanes superconductores).

      1. entonces todo lo que se dice sobre la superconductividad a temperatura ambiente suponiendo que se puedan hacer cables baratos es imposible? nunca tendremos cables que conduzcan electricidad de alta o media tension de superconductores de tem ambienta haciendo que no se pierda electricidad calor?

        1. Matías, nadie lo sabe ni lo puede saber. Hay superconductores que permiten fabricar cables y superconductores que no lo permiten. ¿Pueden existir superconductores a condiciones ambientales (temperatura y presión) que permitan fabricar cables? Nada lo prohíbe, pero nada lo augura. ¿Serán lo suficientemente baratos como para que sea rentable sustituir todo el cableado de cobre? Yo lo dudo mucho.

          Como siempre espero estar equivocado, pero no creo que sea buena ofrecer falsas esperanzas. El cableado no parece un buen nicho tecnológico para los superconductores.

    2. Humildemente querría añadir que una importantísima aplicación de la superconductividad (aunque no es nicho en la actualidad, sí lo sería de haberla a temperatura ambiente) es el almacenamiento de grandes cantidades de energía eléctrica en forma de bobinas superconductoras con bajísimas pérdidas y respuesta casi instantánea con grandes potencias (por ejemplo pueden dar casi instantáneamente 40 MW durante 30 minutos con rendimientos eléctricos del 95%). Ver «Superconducting Magnetic Energy Storage» o SMES. La entrada de la wikipedia en inglés introduce muy bien el asunto a nivel básico. En la actualidad se usan en casos puntuales de corto almacenamiento debido a los costos del sistema criogénico y espacio ocupado, pero si existieran equipos que no necesitaran criogenia y teniendo en cuenta que en general la corriente crítica de un material superconductor suele aumentar con su temperatura crítica, equipos con supuestos materiales que trabajen a temperatura ambiente tendrían capacidades de almacenamiento mucho mayores que las que hay hoy con equipos criogénicos.

      Saludos.

  2. Donde escribes que «La característica fundamental del MATNG es la formación de un patrón de moiré triangular, cuya constante de superred decrece conforme N aumenta» te refieres a la constante a = 0.246 nm que definiste anteriormente?, es decir, cada capa tiene a = 0.246 nm pero si se ve la superposición entre ellas entonces la constante «a» efectiva es menor y por ende la densidad de estados ns = 3^1/2 θ^2/(8 a^2) es mayor? o nada que ver?
    Gracias y saludos

  3. Para mí, solo es interesante la superconductividad y el transistor fotonico, para aplicaciones en videojuegos y videoconsolas. Se podrá construir un hardware, para correr videojuegos 2.5D ( gráficos poligonales 3D, con una cámara fija 2D: horizontal, vertical u oblicua ), y técnicas gráficas como la de cel shading, más avanzadas que las actuales. Para diseñar juegos de plataformas, shoot’em up, run’n gun, beat’em up/brawler, y de lucha Vs; aún más espectaculares, coloridos, y de modelado fino ( mayor numero de poligonos graficos ), que los actuales videojuegos.

  4. He visto como va un transistor molecular, en la web https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=sintetizada-molecula-organica-funciona-como-transistor&id=020110220217#.YysNHKDtbkw ; con ayuda de traducción automática. Básicamente, es con una molécula cíclica de 8 átomos que es curva. Al inyectar 2 electrones libres, por alguna razón, se aplana, y pasa de ser aislante a conductor; que se traduce en 0 y 1.

    Pensaba que en una molécula de tipo piceno ( Hydrocarburo Aromático Policiclico ), se dopaba una parte de la molécula con un atomo con 5 electrones de valencia y el otro extremo se le introducía en la estructura, por sustitución, con un atomo con 3 átomos. Creando así una zona aceptora y donadora dentro de la misma molecula. ( O más exactamente dos zonas aceptaras, separadas por una zona donadora PNP; o de tipo NPN )

    También pensaba, que se intercalaria en tres celda unidad, de cristales moleculares, átomos tri y pentavalentes. De forma semejante a como se dopan los hidrocarburos policiclicos aromáticos solidos, con átomos metálicos, superconductores.

    De todas formas, ¿ sería posible diseñar transistores moleculares con un dopado con otros elementos, entre moleculas ( poe ejemplo: B2C6H6 ( aceptador ), P2C6H6 ( donador ), de tipo benceno solido; o Al3C22H14 (aceptador ), P3C22H14 ( donador ).?

    Aunque si se desa hacer un transistor con una sola molécula, intercalando átomos tri y pentavalentes; ya no sería lo mismo que sustitución de átomos de C (¿ o de H ? ) por átomos tri y pentavalentes, en valencia electronica; que no modifiquen la estructura de la molécula, como ocurre en la estructura cristalina del Si y Ge.

    En moleculas formadas por 2 átomos diferentes ( AsGa, InSb, GaP ), el dopado se realiza con exceso de un elemento componente y sobre el otro componente.

    1. Horch, dicha noticia se hace eco del artículo (acceso gratuito, open access) de Magdalena Tasić et al., «Electro-mechanically switchable hydrocarbons based on [8]annulenes,» Nature Communications 13: 860 (2022), doi: https://doi.org/10.1038/s41467-022-28384-8. No me parece imposible el dopado con radicales moleculares (como los que propones), pero me parece poco razonable que puedan permitir el desarrollo de estructuras multicapas de tipo PNP o NPN que presenten una transferencia eficiente de portadores en las interfaces entre capas. El dopado con átomos (oxígeno, boro, nitrógeno, etc.) ya ha sido demostrado en laboratorio y me parece más prometedor. Pero no me consta ningún prototipo de transistor bipolar con hidrocarburos aromáticos policíclicos.

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