Los investigadores observan excitaciones colectivas entre bandas en grafeno bicapa retorcido

Visualización artística de excitaciones colectivas entre bandas lanzadas y propagadas en grafeno bicapa torcido. Crédito:Matteo Ceccanti.

El grafeno bicapa retorcido es un material bidimensional (2D) a base de carbono que consta de dos capas de grafeno. Aunque muchos científicos han comenzado recientemente a explorar su potencial para la superconductividad y el magnetismo, hasta ahora ha habido muy pocos estudios ópticos que lo examinen.

El grafeno bicapa torcido puede exhibir propiedades muy diferentes a las de las capas individuales de grafeno, especialmente cuando las dos capas que lo componen giran entre sí en un ángulo pequeño, aproximadamente 1 grado. Investigar y probar estas propiedades podría ser muy valioso, ya que en última instancia podría mejorar la comprensión actual de la superconductividad y facilitar su uso para el desarrollo de nuevos dispositivos.

Investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona y del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), así como de otros institutos de todo el mundo, han llevado a cabo recientemente un estudio destinado a sondear las excitaciones colectivas del grafeno bicapa retorcido a una resolución espacial de 20 nm, usando una técnica óptica conocida como microscopía óptica de campo cercano de infrarrojo medio. Sus esfuerzos, descritos en un artículo publicado en Nature Physics , condujo a la observación de excitaciones colectivas entre bandas en el material.

"El grafeno bicapa retorcido es interesante para los experimentos ópticos, especialmente debido a las bandas planas combinadas con la primera banda de energía excitada que también es relativamente plana", dijo a Phys.org Niels Hesp, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. "Como se predijo en trabajos teóricos anteriores, esto permite una fuerte transición entre bandas en energías infrarrojas, haciéndola accesible incluso a temperatura ambiente. Nuestros experimentos tenían como objetivo estudiar las excitaciones colectivas que se forman a partir de estas transiciones ópticas".

La microscopía óptica de campo cercano es una técnica avanzada que se puede utilizar para examinar las propiedades ópticas en la superficie de un material a una resolución de ~20 nm, que está muy por debajo del límite de difracción, el punto en el que los sistemas ópticos comienzan a obtener imágenes deficientes de los objetos (es decir, , las imágenes se vuelven borrosas). Con esta técnica, la luz se acopla a una muestra a través de una punta muy afilada, que también proporciona el impulso necesario para lanzar plasmones entre bandas.

Estructura de bandas de grafeno bicapa retorcido con un ángulo de giro de 1,35 \grados, igual que el dispositivo principal en estudio. Las bandas de energía rojas se conocen como las bandas planas típicas en TBG, mientras que las bandas azules son las bandas remotas. Las excitaciones colectivas están formadas por fuertes transiciones entre bandas entre las bandas remota y plana (flechas negras). Crédito:Hesp et al.

"Gracias a una larga colaboración con el grupo de Pablo Jarrillo-Herrero en el MIT, tuvimos acceso temprano a sus muestras", dijo Hesp. "De hecho, una de las muestras que fabricaron para nosotros en 2016 fue la primera en mostrar el estado aislante de Mott. La primera observación de plasmones entre bandas en grafeno bicapa retorcido fue una sorpresa mientras realizábamos las mediciones, ya que no estábamos realmente seguros de qué que esperar."

Las mediciones ópticas recopiladas por Hesp y sus colegas revelaron un modo de plasmón de propagación en el grafeno bicapa retorcido de carga neutra que es marcadamente diferente del plasmón intrabanda observado en el grafeno de una sola capa. En su artículo, el equipo sugiere que podría tratarse de un plasmón entre bandas asociado con las transiciones ópticas entre minibandas que se originan en la estructura de superretícula muaré del material.

"Nuestro trabajo muestra que el grafeno bicapa retorcido es igualmente interesante para los estudios ópticos, especialmente porque es el primer sistema en el que se han visto plasmones interbanda que se propagan con un factor de calidad razonable", dijo Hesp. "Esta excitación ocurre incluso en un estado no dopado, lo que significa que no se requiere voltaje externo. Si bien las aplicaciones del mundo real están muy por delante, constituye otro componente básico del 'juego de herramientas plasmónicas', que trabaja hacia circuitos ópticos integrados a nanoescala".

Las observaciones proporcionan información nueva y valiosa sobre las propiedades distintivas del prometedor material superconductor grafeno bicapa retorcido. En el futuro, su trabajo podría contribuir al desarrollo de varios dispositivos ópticos nuevos y circuitos integrados.

"Dado que las estructuras de grafeno retorcidas forman una clase de materiales que albergan muchos fenómenos fascinantes, básicamente acabamos de comenzar el viaje", dice el profesor Koppens, líder del estudio. "Ahora nuestro objetivo es acceder a los estados correlacionados a temperaturas criogénicas con la óptica. Con este fin, instalamos un nuevo tipo de microscopio de campo cercano que puede operar hasta 5K, en el que estudiamos la interacción de la luz con los electrones que interactúan fuertemente. Esta técnica resulta ser muy sensible a las propiedades electrónicas de TBG y podría apuntar potencialmente a los mecanismos físicos de los fenómenos superconductores y magnéticos". + Explora más