En décadas recientes, Se han realizado enormes esfuerzos de investigación en la exploración y explicación de superconductores de alta temperatura (alta Tc), una clase de materiales que presentan una resistencia nula a temperaturas particularmente altas. Ahora, un equipo de científicos de los Estados Unidos, Alemania y Japón explican en Naturaleza cómo la estructura electrónica en el grafeno bicapa retorcido influye en la aparición del estado aislante en estos sistemas, que es el precursor de la superconductividad en materiales de alta Tc.

Encontrar un material que se superconduzca a temperatura ambiente conduciría a una revolución tecnológica, aliviar la crisis energética (ya que hoy en día la mayor parte de la energía se pierde en el camino de la generación al uso) y aumentar el rendimiento informático a un nivel completamente nuevo. Sin embargo, a pesar de los avances logrados en la comprensión de estos sistemas, una descripción teórica completa es todavía difícil de alcanzar, dejando nuestra búsqueda de superconductividad a temperatura ambiente principalmente fortuita.

En un gran avance científico en 2018, Se demostró que el grafeno bicapa retorcido (TBLG) exhibía fases de materia similares a las de una cierta clase de materiales superconductores de alta Tc, los llamados cupratos de alta Tc. Esto representa una incursión novedosa a través de una configuración experimental mucho más limpia y controlable.

Los científicos del Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia (MPSD), Freie Universität Berlin (ambas en Alemania), Universidad de Colombia, el Centro de Física Cuántica Computacional del Instituto Flatiron (ambos en los EE. UU.) y el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón se centraron en el estado aislante de TBLG.

Este material está formado por dos capas atómicamente delgadas de grafeno, apilados en un ángulo muy leve entre sí. En esta estructura, el estado de aislamiento precede a la fase superconductora de alta Tc. Por eso, Una mejor comprensión de esta fase y lo que conduce a ella es crucial para el control de TBLG.

Los científicos utilizaron microscopía y espectroscopía de efecto túnel (STM / STS) para investigar las muestras. Con esta técnica microscópica, Las superficies eléctricamente conductoras pueden examinarse átomo por átomo. Usando el método pionero de 'rasgar y apilar', colocaron dos capas atómicamente delgadas de grafeno una encima de la otra y las giraron ligeramente. Luego, el equipo trazó directamente un mapa de las propiedades estructurales y electrónicas a escala atómica del material cerca del "ángulo mágico" de alrededor de 1,1 °.

Los resultados, que acaban de publicarse en Naturaleza , arrojar nueva luz sobre los factores que influyen en la aparición de superconductividad en TBLG. El equipo observó que el estado aislante, que precede al estado superconductor, aparece en un nivel particular de llenar el sistema con electrones. Esto permite a los científicos estimar la fuerza y ​​la naturaleza de las interacciones entre los electrones en estos sistemas, un paso crucial hacia su descripción.

En particular, Los resultados muestran que dos singularidades de van Hove (vH) distintas en la densidad local de estados aparecen cerca del ángulo mágico que tienen una separación dependiente del dopaje de 40-57 meV. Esto demuestra claramente por primera vez que la separación de vHs es significativamente mayor de lo que se pensaba anteriormente. Es más, el equipo muestra claramente que el vHs se divide en dos picos cuando el sistema está dopado cerca de la mitad del relleno de la banda de Moiré. Esta división dependiente del dopaje se explica por una brecha inducida por la correlación, lo que significa que en TBLG, La interacción inducida por electrones juega un papel destacado.

El equipo descubrió que la relación entre la interacción de Coulomb y el ancho de banda de cada vH individual es más crucial para el ángulo mágico que la separación de los vH. Esto sugiere que el estado superconductor vecino es impulsado por un mecanismo de emparejamiento similar al de Cooper basado en interacciones electrón-electrón. Además, los resultados de STS indican algún nivel de nematicidad electrónica (ruptura espontánea de la simetría rotacional de la red subyacente), muy parecido a lo que se observa en los cupratos cerca del estado superconductor.

Con esta investigación, el equipo ha dado un paso crucial para demostrar la equivalencia de la física de los cupratos de alta Tc y los de los materiales TBLG. La información obtenida a través de TBLG en este estudio promoverá la comprensión de la superconductividad de alta temperatura en cupratos y conducirá a un mejor análisis del funcionamiento detallado de estos fascinantes sistemas.

El trabajo del equipo sobre la naturaleza de los estados superconductores y aislantes que se ven en el transporte permitirá a los investigadores comparar teorías y, con suerte, finalmente entender TBLG como un trampolín hacia una descripción más completa de los cupratos de alta Tc. En el futuro, esto allanará el camino hacia un enfoque más sistemático de aumentar las temperaturas superconductoras en estos y sistemas similares.