La superconductividad en el grafeno bicapa rotado con ángulo mágico (MATBG) es la chispa que encendió el camino hacia el Premio Nobel de Física del español Pablo Jarillo-Herrero. Un fenómeno excepcional que demanda su observación en otras bicapas rotadas de materiales bidimensionales, como los dicalcogenuros de metales de transición. Se publica en Nature la observación de la superconductivad en una bicapa rotada de diseleniuro de tungsteno (WSe₂) con un ángulo entre 3.5 y 3.65 grados, con una temperatura crítica de 0.2 K. La relevancia de este resultado es que el WSe₂ es una monocapa semiconductora (con un salto de banda o gap de 1.6 eV), mientras el grafeno monocapa es un semimetal. La superconductividad en el WSe₂ bicapa rotado pequeño sugiere que el origen de la superconductividad del MATBG podría no tener relación con su semimetalicidad (sus estructura de conos de Dirac). Un indicio que podría ser clave para una futura teoría que explique este fenómeno.

Muchas de las teorías que intentan explicar la superconductividad del MATBG se encuentran con dos hándicaps, el primero, explicar el papel del ángulo mágico (cuyo origen son los conos de Dirac del grafeno), y el segundo, explicar por qué otros materiales bidimensionales rotados no parecían ser superconductores. El nuevo artículo sugiere una respuesta para ambos. El WSe₂ bicapa rotado (tWSe₂) tiene bandas planas para un ángulo mágico de 1.43 grados, pero su superconductividad se ha observado para ángulos entre 3.5 y 3.65 grados, siendo la primera bicapa rotada con un ángulo pequeño con un estado superconductor. Pero, además, la superconductividad en el WSe₂ bicapa rotado muestra muchas de las propiedades observadas en el MATBG, en especial las que apunta a correlaciones fuertes entre los electrones de ambas capas y a superconductividad no convencional. Todo indica que las teorías actuales que abusan de las propiedades específicas de las bicapas de grafeno deberán ser reformuladas para tener en cuenta otros aspectos más generales de estos materiales de tipo muaré (moiré).

Por supuesto, la utilidad práctica de materiales superconductores con temperaturas críticas del orden de un kelvin es muy limitada; aunque podrían ser prometedores de cara al desarrollo de cúbits superconductores para futuros ordenadores cuánticos. A pesar de ello, la importancia de los materiales de moiré es que son plataformas experimentales para estudiar muchos fenómenos físicos que aún están envueltos de un gran número de incógnitas. El nuevo artículo es Yiyu Xia, Zhongdong Han, …, Kin Fai Mak, «Superconductivity in twisted bilayer WSe₂,» Nature (30 Oct 2024), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-024-08116-2 (la relevancia del artículo queda probada porque su preprint de mayo de 2024 ya ha sido citado 15 veces).

Te recuerdo que los dicalcogenuros de metales de transición (TMD) son semiconductores bidimensionales con una fórmula MX₂, donde la M es Mo o W, y la X es S, Se o Te. Sus monocapas tienen una estructura hexagonal que se parece a una monocapa de grafeno, pero presentan saltos de banda (por eso son semiconductores) con un fuerte acoplamiento espín-órbita de tipo Ising (por eso son materiales topológicos). Las bicapas rotadas de TMD muestran bandas planas para ciertos ángulos mágicos, lo que indica la presencia de fuertes correlaciones electrónicas que dan lugar a aislantes de Mott, cristales de Wigner, fermiones pesados y propiedades topológicas, como aislantes de tipo Chern y de efecto Hall cuántico fraccionario. Sin duda son materiales bidimensionales muy interesantes.

En el nuevo artículo, se estima el ángulo del tWSe₂ usando la densidad de estados de muaré, en concreto, (4.25 ± 0.03) × 10¹² cm⁻², que implica un ángulo de 3.65° ± 0.01°. La bicapa ha sido encapsulada entre multicapas de nitruro de boro hexagonal (hBN), como muestra la figura que abre esta pieza. Para la medidad de la superconductividad se usan contactos de paladio (Pd) en la parte superior y de platino (Pt) en la parte inferior. En los experimentos el tWSe2 se enfría hasta temperaturas de pocos milikelvin (mK).

La estructura electrónica de bandas de la bicapa tWSe2 para 3.65° se ha calculado con un modelo teórico (ver la figura justo arriba). Se observan dos valles K y K′ con bandas de moiré con número de Chern +1 y −1, respectivamente. La densidad electrónica de estados (DOS) muestra una singularidad de van Hove singularity (vHS) cerca del nivel de llenado electrónico ν = 0.75, asociada al punto de silla (m en la figura) para la zona de Brillouin de moiré. La resistividad para 50 mK muestra estados aislantes para llenados ν = 1/4, ν = 1/3 y ν = 1. Lo más sorprendente es la aparición de un estado aislante para llenado ν = 1 con resistencia cero. Este estado es robusto, pero desaparece cuando se incrementa la temperatura (en la figura a la izquierda para 0.05 K y a la derecha para 0.3 K). Este estado de resistencia cero no está conectado con la vHS para ν = 0.75.

El estado superconductor muestra una curva dV/dI para campo magnético nulo (B = 0) con una temperatura de transición T_BKT (Berezinskii–Kosterlitz–Thouless) de unos 180 mK y una temperatura crítica para el emparejamiento de Cooper T_P de 250 mK. La corriente crítica a 50 mK se estima en 5 nA, valor que decrece de forma monótona conforme la tempreatura crece. Al aplicar campos magnéticos B (desde 0 hasta 150 mT, militeslas) se observa como la superconductividad desaprece. Se estima que el campo crítico es de 6 mT. Los valores para la corriente crítica y el campo magnético crítico son demasiado bajos para la mayoría de las aplicaciones prácticas. Pero la relevancia de la superconductividad de este material está en la ciencia básica, no en la aplicada.

El material se comporta como un metal a ambos lados del estado superconductor. El estado metálico por encima del llenado ν = 1 es normal (un líquido de Fermi), siendo su resistencia una función cuadrática de la temperatura, R = R₀ + A T². Este estado metálico convencional cambia por encima de la temperatura de coherencia (T_coh en la figura). Sin embargo, por debajo del llenado ν = 1 el estado metálico observado no es compatible con un líquido de Fermi, sino como un metal pobre. Para temperaturas por encima de cierto valor T^∗ (que presenta un mínimo en la figura) el transporte coherente de electrones pasa a un régimen incoherente.

En función del nivel de dopado (campo eléctrico aplicado) se observa una transición de superconductor a aislante para un llenado de ν = 1 (parte izquierda de la figura). Todas las curvas de resistencia en función del campo aplicado coinciden entre sí colapsan en un valor constante para temperaturas por encima de 4 K (como ilustra la figura de la derecha). El campo eléctrico crítico para la transición superconductor-aislante es E_C ≈ 11.7 mV nm⁻¹.

Sin entrar en más detalles, se ha observado por primera vez un estado superconductor robusto en un dicalcogenuro de metal de transición bicapa rotado (con un ángulo mayor que su ángulo mágico para bandas planas). Este resultado sugiere que pasará lo mismo para muchos otros, algunos de los cuales tendrán temperaturas, corrientes y campos magnéticos críticos más altos (quizás de mayor utilidad en futuras aplicaciones prácticas). En cualquier caso, la gran relevancia práctica de este resultado se centra en la ciencia básica, la construcción de teorías que expliquen esta superconductividad y que quizás también expliquen la del grafeno bicapa rotado con ángulo mágico. O quizás no, lo que podría ser una sorpresa adicional.