Orden nemático en grafeno bicapa torcido. Crédito:Seiichiro Onari
Los superconductores son materiales que conducen la corriente eléctrica prácticamente sin resistencia eléctrica. Esta capacidad los hace extremadamente interesantes y atractivos para una gran cantidad de aplicaciones, como cables de alimentación sin pérdidas, motores y generadores eléctricos, así como potentes electroimanes que pueden usarse para imágenes de resonancia magnética y para trenes de levitación magnética. Ahora, investigadores de la Universidad de Nagoya han detallado la naturaleza superconductora de una nueva clase de material superconductor, el grafeno bicapa retorcido de ángulo mágico.
Para que un material se comporte como un superconductor, se requieren bajas temperaturas. La mayoría de los materiales solo entran en la fase superconductora a temperaturas extremadamente bajas, como –270 °C, que es inferior a las medidas en el espacio exterior. Esto limita severamente sus aplicaciones prácticas porque un enfriamiento tan extenso requiere un equipo de enfriamiento de helio líquido muy costoso y especializado. Esta es la razón principal por la que las tecnologías superconductoras aún están en pañales.
Los superconductores de alta temperatura (HTS), como algunos ejemplos a base de hierro y cobre, entran en la fase superconductora por encima de -200 °C, una temperatura que se alcanza más fácilmente utilizando nitrógeno líquido que enfría un sistema a -195,8 °C. Sin embargo, las aplicaciones industriales y comerciales de HTS han sido hasta ahora limitadas. Los materiales HTS actualmente conocidos y disponibles son materiales cerámicos quebradizos que no son maleables y no se pueden convertir en formas útiles como alambres. Además, son notoriamente difíciles y caros de fabricar. Esto hace que la búsqueda de nuevos materiales superconductores sea crítica y un fuerte foco de investigación para físicos como el Prof. Hiroshi Kontani y el Dr. Seiichiro Onari del Departamento de Física de la Universidad de Nagoya.
Recientemente, se ha propuesto un nuevo material como superconductor potencial llamado grafeno bicapa torcido de ángulo mágico (MATBG). En MATBG, dos capas de grafeno, esencialmente capas bidimensionales individuales de carbono dispuestas en una red de panal, se compensan con un ángulo mágico (alrededor de 1,1 grados) que conduce a la ruptura de la simetría rotacional y a la formación de una simetría de alto orden. conocido como SU(4). A medida que cambia la temperatura, el sistema experimenta fluctuaciones cuánticas, como ondas de agua en la estructura atómica, que conducen a un nuevo cambio espontáneo en la estructura electrónica y una reducción de la simetría. Esta ruptura de la simetría rotacional se conoce como estado nemático y se ha asociado estrechamente con las propiedades superconductoras de otros materiales.
En su trabajo publicado recientemente en Physical Review Letters , el Prof. Kontani y el Dr. Onari utilizan métodos teóricos para comprender mejor el origen de este estado nemático en MATBG. "Dado que sabemos que la superconductividad a alta temperatura puede ser inducida por fluctuaciones nemáticas en sistemas de electrones fuertemente correlacionados, como los superconductores a base de hierro, aclarar el mecanismo y el origen de este orden nemático puede conducir al diseño y la aparición de superconductores de mayor temperatura", explica el Dr. .Onari.
Los investigadores descubrieron que el orden nemático en MATBG se origina a partir de la interferencia entre las fluctuaciones de un nuevo grado de libertad que combina los grados de libertad del valle y los grados de libertad de espín, algo que no se ha informado en los sistemas de electrones fuertemente correlacionados convencionales. La temperatura de transición superconductora del grafeno bicapa retorcido es muy baja, de 1K (–272 °C), pero el estado nemático consigue aumentarla varios grados.
Sus resultados también muestran que aunque MATBG se comporta de alguna manera como un superconductor de alta temperatura a base de hierro, también tiene algunas propiedades distintas que son bastante emocionantes, como una corriente de bucle de carga neta que da lugar a un campo magnético en un estado polarizado de valle. mientras que la corriente de bucle es cancelada por cada valle en el estado nemático. Además, la maleabilidad del grafeno también puede desempeñar un papel importante en el aumento de las aplicaciones prácticas de estos superconductores. Con una mejor comprensión de los mecanismos subyacentes de la superconductividad, la ciencia y la tecnología están cada vez más cerca de un futuro conductor que es realmente excelente.
El artículo, "SU(4) Valley + Spin Fluctuation Interference Mechanism for Nematic Order in Magic-Angle Twisted Bilayer Graphene:The Impact of Vertex Corrections", se publicó en la revista Physical Review Letters el 9 de febrero de 2022. + Explora más
