Visto desde arriba el grafeno bicapa de ángulo mágico se asemeja a un patrón conocido como muaré por su parecido con una tela francesa. Crédito:Laboratorio Yazdani en la Universidad de Princeton.
Coloque una sola hoja de carbono encima de otra en un ligero ángulo y emergen propiedades notables, incluido el muy apreciado flujo de corriente libre de resistencia conocido como superconductividad.
Ahora, un equipo de investigadores de Princeton ha buscado los orígenes de este comportamiento inusual en un material conocido como grafeno bicapa retorcido en ángulo mágico. y se detectaron firmas de una cascada de transiciones de energía que podrían ayudar a explicar cómo surge la superconductividad en este material. El artículo fue publicado en línea el 11 de junio en la revista Naturaleza .
"Este estudio muestra que los electrones en el grafeno de ángulo mágico están en un estado altamente correlacionado incluso antes de que el material se convierta en superconductor". "dijo Ali Yazdani, Clase de 1909 Profesor de Física, el líder del equipo que hizo el descubrimiento. "El cambio repentino de energías cuando agregamos o eliminamos un electrón en este experimento proporciona una medida directa de la fuerza de la interacción entre los electrones".
Esto es importante porque estos saltos de energía proporcionan una ventana a los comportamientos colectivos de los electrones, como la superconductividad, que emergen en grafeno bicapa retorcido de ángulo mágico, un material compuesto por dos capas de grafeno en el que la hoja superior gira un ligero ángulo con respecto a la otra.
En metales cotidianos, los electrones pueden moverse libremente a través del material, pero las colisiones entre electrones y la vibración de los átomos dan lugar a la resistencia y la pérdida de algo de energía eléctrica en forma de calor, razón por la cual los dispositivos electrónicos se calientan durante el uso.
En materiales superconductores, los electrones cooperan. "Los electrones bailan entre sí, "dijo Biao Lian, investigador asociado postdoctoral en el Centro de Ciencias Teóricas de Princeton que se convertirá en profesor asistente de física este otoño, y uno de los primeros coautores del estudio. "Tienen que colaborar para llegar a un estado tan extraordinario".
Por algunas medidas, grafeno de ángulo mágico, descubierto hace dos años por Pablo Jarillo-Herrero y su equipo en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), es uno de los superconductores más fuertes jamás descubiertos. La superconductividad es relativamente robusta en este sistema, aunque ocurre cuando hay muy pocos electrones que se mueven libremente.
Los investigadores se propusieron explorar cómo la estructura cristalina única del grafeno de ángulo mágico permite comportamientos colectivos. Los electrones no solo tienen carga negativa, sino también otras dos características:momento angular o "giro, "y posibles movimientos en la estructura cristalina conocidos como estados de" valle ". Las combinaciones de espín y valle forman los diversos" sabores "de los electrones.
En particular, el equipo quería saber cómo estos sabores afectan los comportamientos colectivos, por lo que llevaron a cabo sus experimentos a temperaturas ligeramente por encima del punto en el que los electrones interactúan fuertemente, que los investigadores compararon con la fase parental de los comportamientos.
"Medimos la fuerza entre los electrones en el material a temperaturas más altas con la esperanza de que comprender esta fuerza nos ayude a comprender el superconductor en el que se convierte a temperaturas más bajas". "dijo Dillon Wong, becario de investigación postdoctoral en el Princeton Center for Complex Materials y co-primer autor.
Utilizaron una herramienta llamada microscopio de túnel de barrido, en el que una punta de metal conductora puede agregar o eliminar un electrón del grafeno de ángulo mágico y detectar el estado de energía resultante de ese electrón.
Debido a que los electrones que interactúan fuertemente resisten la adición de un nuevo electrón, Cuesta algo de energía agregar el electrón adicional. Los investigadores pueden medir esta energía y a partir de ella determinar la fuerza de la fuerza de interacción.
Se observa una cascada de cambios en las propiedades electrónicas del grafeno de ángulo mágico mediante microscopía de túnel de barrido de alta resolución en función del voltaje aplicado. que sintoniza el llenado de electrones entre completamente ocupado (v =4) y vacío (v =-4). Crédito:laboratorio Yazdani en la Universidad de Princeton
"Estoy literalmente introduciendo un electrón y viendo cuánta energía cuesta empujar este electrón al baño cooperativo, "dijo Kevin Nuckolls, un estudiante de posgrado en el Departamento de Física, también co-primer autor.
El equipo descubrió que la adición de cada electrón provocó un salto en la cantidad de energía necesaria para agregar otro, lo que no habría sido el caso si los electrones pudieran entrar en el cristal y luego moverse libremente entre los átomos. La cascada resultante de transiciones de energía resultó de un salto de energía para cada uno de los sabores de los electrones, ya que los electrones deben asumir el estado de energía más bajo posible sin tener la misma energía y el mismo sabor que otros electrones en la misma ubicación en el cristal. .
Una pregunta clave en el campo es cómo se compara la fuerza de las interacciones entre electrones con los niveles de energía que habrían tenido los electrones en ausencia de tales interacciones. En los superconductores más comunes y de baja temperatura, esta es una pequeña corrección, pero en raros superconductores de alta temperatura, Se cree que las interacciones entre electrones cambian drásticamente los niveles de energía de los electrones. La superconductividad en presencia de una influencia tan dramática de interacciones entre electrones es muy poco conocida.
Las mediciones cuantitativas de los cambios repentinos detectados por los investigadores confirman la imagen de que el grafeno de ángulo mágico pertenece a la clase de superconductores con una fuerte interacción entre los electrones.
El grafeno es una capa delgada de un solo átomo de átomos de carbono, cuales, debido a las propiedades químicas del carbono, se colocan en una celosía de panal plana. Los investigadores obtienen grafeno tomando un bloque delgado de grafito, el mismo carbón puro que se usa en los lápices, y quitando la capa superior con cinta adhesiva.
Luego apilan dos capas delgadas como un átomo y giran la capa superior exactamente 1,1 grados, el ángulo mágico. Hacer esto hace que el material se vuelva superconductor, o alcanzar propiedades magnéticas o aislantes inusuales.
"Si estás a 1,2 grados, es malo. Su, es solo un metal suave. No pasa nada interesante. Pero si estás a 1,1 grados, ves todo este comportamiento interesante, "Dijo Nuckolls.
Esta desalineación crea un arreglo conocido como patrón muaré por su parecido con una tela francesa.
Para realizar los experimentos, los investigadores construyeron un microscopio de barrido de túnel en el sótano del edificio de física de Princeton, Jadwin Hall. Tan alto que ocupa dos pisos, el microscopio se asienta sobre una losa de granito, que flota sobre resortes neumáticos. "Necesitamos aislar el equipo con mucha precisión porque es extremadamente sensible a las vibraciones, "dijo Myungchul Oh, un investigador asociado postdoctoral y co-primer autor.
Dillon Wong, Kevin Nuckolls, Myungchul Oh, y Biao Lian contribuyó igualmente al trabajo.
Yonglong Xie hizo contribuciones adicionales, quien obtuvo su Ph.D. en 2019 y ahora es investigadora postdoctoral en la Universidad de Harvard; Sangjun Jeon, quien ahora es profesor asistente en la Universidad Chung-Ang en Seúl; Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales (NIMS) en Japón; y el profesor de Física de Princeton B. Andrei Bernevig.
Una cascada similar de transiciones de fase electrónica se observó en un artículo publicado simultáneamente en Naturaleza el 11 de junio por un equipo dirigido por Shahal Ilani en el Instituto de Ciencias Weizmann en Israel y con Jarillo-Herrero y sus colegas del MIT, Takashi Taniguchi y Kenji Watanabe de NIMS Japón, e investigadores de la Universidad Libre de Berlín.
"El equipo de Weizmann observó las mismas transiciones que hicimos nosotros con una técnica completamente diferente, "Dijo Yazdani." Es bueno ver que sus datos son compatibles tanto con nuestras mediciones como con nuestra interpretación ".
El estudio, "Cascada de transiciones electrónicas en grafeno bicapa retorcido de ángulo mágico, "por Dillon Wong, Kevin P. Nuckolls, Myungchul Oh, Biao Lian, Yonglong Xie, Sangjun Jeon, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, B. Andrei Bernevig, y Ali Yazdani, fue publicado el 11 de junio en la revista Naturaleza .
