La observación de estados correlacionados y superconductividad en grafeno tricapa retorcido

Crédito:Zhang et al.

Cuando dos capas de grafeno o de otros materiales bidimensionales (2D) se apilan una encima de la otra con un pequeño ángulo de desalineación, las redes cristalinas producidas por cada capa están "desincronizadas" espacialmente. Esto da como resultado un patrón estructural único conocido como superred de muaré.

En los últimos años, muchos físicos han estado investigando las propiedades y características de las superredes de muaré, ya que se ha descubierto que son particularmente prometedoras para el desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas. La mayoría de estos estudios se han centrado en el grafeno bicapa retorcido, un material compuesto por dos capas de grafeno apiladas una encima de la otra y rotadas en un pequeño ángulo de torsión.

Investigadores de la Universidad de Minnesota y la Universidad de Harvard han llevado a cabo recientemente un estudio que investiga las propiedades del grafeno tricapa torcido, que consta de tres capas apiladas de grafeno con dos ángulos de giro pequeños consecutivos. Su artículo, publicado en Physical Review Letters , ofrecen evidencia de estados aislantes correlacionados y la firma de transporte de superconductividad en el material.

"Se demostró previamente que el grafeno bicapa torcido puede volverse superconductor con un ángulo de giro ajustado con precisión", dijo a Phys.org Ke Wang, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. "Las bicapas retorcidas son altamente ajustables en términos de parámetros de material y electrostática, lo que permite nuevos conocimientos para comprender la física de electrones correlacionados y promete nuevas aplicaciones potenciales de electrónica cuántica".

Al agregar una tercera capa de grafeno, Wang y sus colegas produjeron una estructura que denominaron superred 'moiré of moiré'. Luego examinaron esta estructura y trataron de comprender mejor sus propiedades y características.

"Nuestro trabajo reciente agrega un 3^rd capa de grafeno para formar una tricapa retorcida", explicó Wang. "Las dos superredes de la capa 1-2 y la capa 2-3 están nuevamente 'desincronizadas', lo que da lugar a una superred de orden superior, a la que nos referimos como 'moiré de moiré superlattice'. Luego enfriamos el sistema a baja temperatura (10 mK - 20 K) y estudiamos su comportamiento de transporte electrónico".

El 'moiré de la superred de moiré' de orden superior en el grafeno de tres capas retorcidas parece exhibir una física muy compleja, tanto estructural como electrónicamente. Por ejemplo, el material muestra la firma de transporte de la superconductividad a una densidad de electrones extremadamente baja (~ 10¹⁰ cm^-2 ), dos órdenes de magnitud más pequeños que las densidades de electrones reportadas en artículos anteriores.

"Nuestros resultados experimentales también arrojan nueva luz importante sobre la comprensión de la superconductividad en el grafeno", dijo Wang. "Anteriormente se creía que los electrones deben aislarse energéticamente antes de que puedan generar superconductividad en el grafeno, pero nuestro experimento parece sugerir lo contrario".

En el futuro, el nuevo material estudiado por este equipo de investigadores podría resultar muy valioso para la fabricación de nueva tecnología, en particular, la electrónica cuántica y las plataformas informáticas. Además, los hallazgos recopilados por Wang y sus colegas podrían inspirar a otros equipos de investigación a estudiar también el potencial del grafeno tricapa torcido o de otros sistemas que podrían dar lugar a una superred 'moiré of moiré'.

"El material que revelamos podría ser un prometedor superconductor atómicamente limpio que puede ajustarse electrostáticamente con un cambio de densidad de portador extremadamente bajo, lo cual es deseable para futuros dispositivos electrónicos cuánticos", agregó Wang. "Para comprender mejor sus aplicaciones potenciales, ahora planeamos estudiar las propiedades estructurales del grafeno de tres capas retorcidas utilizando varias técnicas de microscopía y fabricar nanoestructuras definidas por puertas para sondear y manipular nuevos fenómenos cuánticos que podrían surgir del sistema". + Explora más