Esquema de la geometría de doble capa utilizada para estudiar la influencia del apantallamiento de Coulomb en el grafeno tricapa retorcido. En este esquema, el grafeno tricapa torcido (capas azul y roja) está separado del grafeno bicapa bernal (bicapa negra) por un aislante delgado (despreciado para mayor claridad) que tiene un grosor de 2 nm. Toda esta estructura está encapsulada con dos electrodos de puerta de grafito en la parte superior e inferior, para brindar la capacidad de ajustar la densidad en cada capa de forma independiente. Crédito:Liu et al.
En los últimos años, físicos y científicos de materiales han descubierto varias plataformas nuevas para estudiar las fases correlacionadas de la materia, como la superconductividad y la fase aislante correlacionada. Entre ellos se encuentra el grafeno tricapa retorcido de ángulo mágico, un superconductor descubierto por un equipo de investigación del Instituto Tecnológico de Massachusetts. Este material consta de tres láminas de grafeno apiladas juntas, con una desalineación rotacional de aproximadamente 1,5 grados.
Estudios anteriores encontraron que el grafeno tricapa retorcido de ángulo mágico exhibe superconductividad en campos magnéticos notablemente altos, mucho más altos que los que podría soportar si fuera un superconductor convencional. Si bien la superconductividad de este material ahora está ampliamente documentada, su física subyacente aún no se comprende por completo.
Investigadores de la Universidad de Brown han llevado a cabo recientemente un estudio que investiga más a fondo la superconductividad en el grafeno tricapa retorcido. Su artículo, publicado en Nature Physics , introduce restricciones importantes que podrían dar forma a los modelos teóricos existentes de superconductividad.
"Algunos experimentos anteriores mostraron que la fase superconductora en el grafeno tricapa torcido de ángulo mágico sobrevive a un gran campo magnético externo que viola el llamado límite de Pauli, donde se espera que se destruyan los pares de electrones con orientaciones de giro opuestas", dijo Jia Leo Li. , uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio, le dijo a Phys.org. "El hecho de que la superconductividad viole este límite proporciona una fuerte indicación de que los espines de los electrones en un par de Cooper están alineados en la misma dirección".
El objetivo clave del trabajo reciente de Li y sus colegas en la Universidad de Brown fue comprender mejor el comportamiento superconductor inusual observado en el grafeno tricapa retorcido de ángulo mágico. Para hacer esto, el equipo utilizó una técnica llamada detección de Coulomb, que permite a los científicos investigar el papel de las interacciones de Coulomb en la estabilización de la fase superconductora. En última instancia, esto condujo a nuevos hallazgos que enriquecen la comprensión actual del mecanismo subyacente a la superconductividad en el nuevo y prometedor material.
"El año pasado, demostramos que uno puede manipular directamente la fuerza de la interacción de Coulomb utilizando una heteroestructura de material 2D especialmente diseñada", dijo Jia Li, profesor asistente de física en Brown y autor correspondiente de la investigación. "La respuesta de la superconductividad a la variación de la interacción de Coulomb nos dice algo importante sobre ese sistema. En este caso, demostramos que una interacción de Coulomb más débil fortalece la superconductividad".
La técnica de detección utilizada por Li y sus colegas fue revelada por ellos en uno de sus estudios anteriores, dirigido por Xiaoxue Liu. Liu es investigadora posdoctoral en la Universidad de Brown y pionera en el estudio de sistemas de moiré de grafeno utilizando estructuras de materiales 2D con diseño complejo.
"La medición de detección que recopilamos en grafeno tricapa retorcido muestra resultados similares en comparación con la misma medición realizada en bicapa de grafeno de ángulo mágico, lo que sugiere que las fases superconductoras en estos dos sistemas tienen un origen común", dijo Li. "Nuestro resultado más notable es que el pegamento (de emparejamiento) para la fase superconductora en el grafeno tricapa retorcido parece estar compitiendo contra la interacción de Coulomb".
Los hallazgos ofrecen una nueva visión valiosa que avanza significativamente la comprensión actual de la superconductividad en estructuras de grafeno retorcidas. En el futuro, el equipo planea investigar más a fondo esta estructura prometedora, al mismo tiempo que utiliza la misma técnica empleada en su estudio reciente para examinar otros materiales.
"El comportamiento que observamos brinda un fuerte apoyo para un grupo de modelos teóricos, mientras que descarta otro grupo de posibilidades", agregó Li. "La proyección de Coulomb es una técnica poderosa. Ahora planeamos aplicar esta misma técnica para aprender más sobre las fases superconductoras en materiales 2D".
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