Una imagen óptica del dispositivo creada por los investigadores. Crédito:Jaoui et al.
El grafeno bicapa torcido de ángulo mágico (MATBG) es un material a base de grafeno con una estructura única, que consta de dos láminas de grafeno superpuestas una encima de la otra con una desalineación de aproximadamente 1,1°. Se ha descubierto que esta estructura única alberga varios estados interesantes, incluidos estados de aislamiento correlacionados y superconductividad no convencional.
Estudios anteriores que examinaron MATBG también revelaron la aparición de lo que se conoce como un régimen metálico "extraño" en la proximidad de la cúpula superconductora, así como un acoplamiento electrón-fonón significativamente mejorado. Si bien estas observaciones fueron confirmadas por trabajos posteriores, los mecanismos exactos que las sustentan siguen sin estar claros.
Investigadores del Instituto de Ciencia y Tecnología de Barcelona, el Instituto Nacional de Ciencias de los Materiales y el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) han analizado recientemente estas propiedades de MATBG utilizando un diagrama de fase de baja temperatura diferente al utilizado en trabajos anteriores. . Su artículo, publicado en Nature Physics , reunió nuevos conocimientos valiosos sobre el comportamiento crítico cuántico del material.
"Los primeros informes sobre las propiedades de transporte eléctrico del grafeno bicapa retorcido revelaron dos características fascinantes:la aparición de un régimen metálico llamado 'extraño' en las proximidades de la cúpula superconductora y un acoplamiento electrón-fonón muy mejorado", Alexandre Jaoui, uno de los de los investigadores que llevaron a cabo el estudio, le dijo a Phys.org. "Sin embargo, ambas características comparten, bajo ciertas condiciones, una firma común:una resistividad lineal en temperatura. Una pregunta que surgió fue:¿puede un solo mecanismo microscópico, electrones que se dispersan de fonones, explicar ambas observaciones anteriores? ¿O es esta firma , en la región de baja temperatura, lo que apunta a la existencia de centros de dispersión adicionales que afectan a los portadores de carga?"
Un diagrama de fase esquemático del estado fundamental metálico del grafeno de ángulo mágico dopado con agujeros con una sola cúpula superconductora. Crédito:Jaoui et al.
Las respuestas a estas preguntas hasta ahora elusivas solo se pueden encontrar examinando MATBG a bajas temperaturas, donde se suprimen los fonones (es decir, cuasipartículas asociadas con ondas como el sonido o la vibración). Sin embargo, en los dispositivos MATBG informados en la literatura anterior, el estado fundamental metálico generalmente estaba oculto por una serie de transiciones de fase.
"Propusimos aprovechar nuestros dispositivos 'apantallados', en los que se suprimen los aislantes correlacionados, para estudiar el grafeno de ángulo mágico con un diagrama de fase de baja temperatura mucho más simple:una única cúpula superconductora encerrada en una fase metálica", explicó Jaoui. . "Esto nos permitió centrarnos en este último estado".
Para fabricar su estructura MATBG, Jaoui y sus colegas utilizaron un método de 'cortar y apilar' que suelen utilizar los equipos de investigación que examinan las heteroestructuras 2D. Para encapsular su dispositivo, utilizaron una fina capa de nitruro de boro hexagonal (hBN).
"La proximidad de las capas de grafeno a la puerta metálica nos permite suprimir los estados aislantes de baja temperatura y, por lo tanto, otorga un mayor acceso al estado fundamental metálico", dijo Jaoui. "Luego recopilamos medidas utilizando técnicas de transporte cuántico convencionales (es decir, transporte eléctrico de CC)".
El equipo de investigación que realizó el estudio. De izquierda a derecha:Ipsita Das, Alexandre Jaoui, Jaime Díez-Mérida, Giorgio di Battista, Dmitri K. Efetov
Las mediciones recopiladas por Jaoui y sus colegas confirmaron la ocurrencia del mismo comportamiento 'extraño' del metal informado en estudios anteriores (es decir, una resistividad lineal en T con una tasa de dispersión planckiana). Sin embargo, el estudio del equipo muestra que este comportamiento se extiende a temperaturas muy por debajo de la temperatura de Bloch-Grüneisen, mientras que el sistema tiene una temperatura de Fermi finita. Además, sus hallazgos destacan una firma adicional de metalicidad extraña, a saber, una magnetorresistencia lineal mejorada.
"Quizás la parte más interesante de este estudio, sin embargo, es la recuperación del comportamiento arquetípico de un metal diluido y correlacionado desordenado, el comportamiento líquido de Fermi, lejos de la cúpula superconductora", dijo Jaoui. "Esta evolución sugiere que las fluctuaciones de una naturaleza aún por determinar dominan el estado fundamental metálico en la vecindad del domo superconductor e impulsan la resistividad lineal a baja temperatura".
Overall, the findings gathered by this team of researchers suggest that quantum fluctuations and superconductivity in MATBG might be related. In the future, their work could inspire new studies examining this possibility and the quantum-critical phase observed in this study further.
"We are now investigating the evolution of the metallic ground state as a function of the 'twist-angle' of twisted bilayer graphene," Jaoui added. "This is, in a very simplistic manner, a knob tuning the strength of the electronic correlations. We will soon publish further report on the metallic ground state of twisted bilayer graphene."
© 2022 Red Ciencia X Guiding a superconducting future with graphene quantum magic
