Sorpresa con el grafeno bicapa rotado en ángulo mágico

A mediados del siglo XX, se teorizó la idea de una capa de grafito de un solo átomo de grosor. El término “grafeno” fue introducido algunos años más tarde, en 1986, por los químicos Hanns-Peter Boehm, Ralph Setton y Eberhard Stumpp. Una vez que se logró producir capas individuales de grafeno, los científicos empezaron a darse cuenta de sus asombrosas propiedades: flexibles, ligeros pero fuertes, excelentes conductores térmicos y eléctricos, y escenario de una amplia gama de fenómenos físicos intrigantes.

Sin embargo, resulta que dos capas de grafeno pueden formar un sistema aún más fascinante. Esto se evidenció en marzo de 2018, cuando un equipo internacional liderado por Pablo Jarillo-Herrero, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Estados Unidos, anunció el descubrimiento de la superconductividad tras apilar dos capas de grafeno con un ángulo de torsión de aproximadamente 1,1 grados. Bajo este ángulo tan específico, llamado “ángulo mágico”, las propiedades electrónicas cambian de forma tan drástica que surgen fenómenos físicos exóticos, como la superconductividad descubierta.

A pesar de los enormes y numerosos esfuerzos en torno a la investigación del grafeno bicapa rotado en ángulo mágico, todavía quedan muchas preguntas abiertas. Una de ellas tiene que ver con su estructura de bandas de energía. Normalmente, en un sólido, los electrones pueden moverse a través de un rango de bandas de energía, y la curvatura de estas bandas determina qué tan rápido pueden desplazarse los electrones, es decir, cuál es su masa efectiva. Pero en el grafeno bicapa rotado en ángulo mágico, algunas de las bandas son casi planas. ¿Cómo son los electrones en estas bandas planas? ¿Cómo se comportan y cuáles son las consecuencias de dicho comportamiento?

Ahora, unos científicos del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) en Castelldefels, Barcelona, así como de otros centros de investigación, han proporcionado evidencias experimentales de la coexistencia de dos ‘especies’ electrónicas en las bandas planas del grafeno bicapa rotado en ángulo mágico. “Esto ya se había insinuado experimentalmente antes, pero faltaba evidencia directa, que ahora hemos proporcionado por primera vez”, explica Rafael Luque Merino, del ICFO y primer firmante del estudio.

Junto con Luque Merino, también han trabajado, entre otros, Jaime Díez-Mérida, Andrés Díez-Carlón y Paul Seifert, del ICFO, así como Dmitri K. Efetov, ahora en el Centro de Ciencia y Tecnología cuánticas de Múnich (MCQST).

Una de las especies coexistentes corresponde a electrones itinerantes, similares a los electrones ‘libres’ convencionales. Estos electrones pueden moverse a través del material, transportando carga y calor. Debido a su alta movilidad y baja masa efectiva, a veces se les denomina ‘portadores ligeros’. La otra especie reside en orbitales altamente localizados, donde los electrones presentan interacciones muy fuertes entre sí, lo que causa una drástica reducción en su movilidad. En consecuencia, estos ‘portadores pesados’ no contribuyen de manera significativa al transporte de carga y calor.

Una respuesta termoeléctrica inusual

La interacción entre portadores pesados y ligeros, que tienen propiedades muy distintas, dio lugar a una respuesta termoeléctrica inusual. Para registrarla, los investigadores utilizaron un haz láser enfocado para calentar localmente a los electrones en el grafeno bicapa rotado en ángulo mágico. Ajustando adecuadamente el montaje experimental, lograron “dirigir” el gradiente de temperatura que seguían los electrones calientes. Como los electrones transportan carga, esto generó naturalmente un voltaje, es decir, una señal termoeléctrica. “Uno podría esperar que la respuesta termoeléctrica global de todos los electrones se cancelara en ciertos niveles de ocupación de las bandas planas,” explica Luque Merino. “Pero ese no es el caso. Resulta que, en esas ocupaciones específicas, los portadores pesados están increíblemente localizados y no contribuyen a la señal termoeléctrica. Esto ocurre debido a su naturaleza localizada y fuertemente interactuante.”

El método propuesto, basado en mediciones termoeléctricas, demostró ser una herramienta potente para investigar la asimetría en las propiedades de los electrones en bandas planas. Dado que la presencia de fuertes interacciones entre electrones ha sido reconocida durante mucho tiempo como la causa subyacente de varios efectos físicos correlacionados, la técnica podría aplicarse también a muchas otras fases correlacionadas que aparecen en materiales 2D rotados.

Recreación artística del concepto de coexistencia de electrones ligeros y pesados dentro de una celda unitaria de moiré. (Imagen: © Munich Center for Quantum Science and Technology / Christoph Hohmann)

Además, el equipo observó que el sistema se comportaba de manera diferente según la temperatura. En particular, a temperaturas bajas (criogénicas), los portadores ligeros dominaban la respuesta. Pero, sorprendentemente, a temperaturas más altas, los roles se invertían. “Descubrimos que estos resultados pueden explicarse de manera natural dentro de este escenario de dos especies electrónicas, mediante el llamado modelo Topological Heavy Fermion para el grafeno bicapa rotado,” explica Luque Merino.

El estudio se titula “Interplay between light and heavy electron bands in magic-angle twisted bilayer graphene”. Y se ha publicado en la revista académica Nature Physics. (Fuente: ICFO)