Investigadoras del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM), CSIC, han descubierto por qué se forman los sistemas de cascadas electrónicas en bicapas de grafeno rotado con ángulo mágico. Este resultado contradice teorías anteriores sobre esta intrigante propiedad de las bicapas de grafeno con ángulo mágico.
Fue hace algo más de cinco años cuando se descubrió que, al girar una capa de grafeno con respecto a la otra solamente 1,1 grados (el llamado ‘ángulo mágico’), este material adquiría nuevas y sorprendentes propiedades por la interacción de sus electrones: se vieron estados aislantes y superconductores que no se esperaban. Posteriormente se encontraron cambios dramáticos en la energía de los electrones en forma de cascadas. Todos estos fenómenos abrieron un nuevo campo de investigación y estos sistemas (simples, a priori, al estar basados solo en carbono) muestran mayor variedad de estados electrónicos que ningún otro.
«En las primeras interpretaciones de las cascadas, se creía que tenían que ver con estados ordenados, tales como estados magnéticos, que se han detectado en el sistema a muy bajas temperaturas, del orden de 5 Kelvin, pero estas cascadas son mucho más resilientes, sobreviven hasta temperaturas de decenas de Kelvin», explica Elena “Leni” Bascones, investigadora en el ICMM y coautora del estudio. Este trabajo apunta a que el origen de este fenómeno es otro.
En concreto, este estudio viene a demostrar que pueden aparecer las cascadas sin necesidad de invocar ningún orden. «No decimos que en las bicapas de ángulo mágico no haya orden, este se ha observado, pero a temperaturas más bajas», señala María José Calderón, investigadora en el ICMM y también coautora del trabajo.
La clave de la nueva investigación radica en la técnica utilizada para su descripción teórica: la teoría de campo medio dinámica combinada con cálculos Hartree. «Es la técnica numérica más avanzada utilizada hasta ahora para estudiar el tipo de efecto que buscamos», explica Bascones. «Es un problema muy complejo, porque en los sólidos hay muchos electrones interaccionando y el comportamiento colectivo es emergente, es decir, no puedes entenderlo trivialmente como la suma del comportamiento de los electrones individuales», añade Calderón.
«Cuando se empezaron a descubrir las propiedades de estas bicapas de grafeno rotadas se quiso ver si podía tener que ver con los superconductores de alta temperatura», explica Bascones.
Aunque en un principio se pensó que la fenomenología detrás de estos materiales no afectaba a las bicapas de grafeno, «lo que nosotras precisamente decimos es que el origen subyacente de estas cascadas está relacionado con el tipo de física que ocurre en otros sistemas correlacionados», como los superconductores a alta temperatura. Esto puede ser clave para lograr comprender cómo funcionan estos superconductores, que a su vez son esenciales para objetivos tecnológicos como la transmisión eficiente de energía o los ordenadores cuánticos.
Referencia:
Datta, A., Calderón, M.J., Camjayi, A. & Bascones, E. (2023) Heavy quasiparticles and cascades without symmetry breaking in twisted bilayer graphene Nat Commun doi: 10.1038/s41467-023-40754-4
Edición realizada por César Tomé López a partir de materiales suministrados por ICMM-CSIC
