Dos estados superconductores distintos encontrados en el grafeno de doble capa de Bernal desafían los modelos actuales

19 de febrero de 2025 función

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por Ingrid Fadelli, Phys.org

La superconductividad es una propiedad material ampliamente buscada, que implica una resistencia eléctrica de cero por debajo de una temperatura crítica específica. Hasta ahora, se ha observado en varios materiales, incluyendo recientemente en alótropos de grafeno de varias capas (es decir, materiales que consisten en varias capas de una red hexagonal de carbono).

Estudios recientes encontraron que cuando el grafeno de doble capa se coloca en un sustrato de WSe2 (tungsteno-diseleniuro), su fase superconductora se ve mejorada. Esto genera una mayor densidad de portadores de carga y una temperatura crítica más alta (es decir, la temperatura a la cual un material se convierte en un superconductor).

Investigadores de la Universidad de California en Santa Bárbara y del Instituto de Tecnología de California han llevado a cabo un estudio dirigido a investigar aún más esta mejora en el alótropo de grafito Bernal de grafeno de doble capa. Su artículo, publicado en Nature Physics, informa de la observación de dos estados superconductores distintos en este material, desafiando los modelos actuales de emparejamiento de electrones en alótopos de grafito.

'Antes de este trabajo, habíamos observado superconductividad en el grafeno de doble capa sin WSe2 y nuestros colaboradores de Caltech, el Prof. Stevan Nadj-Perge y Yiran Zhang, un estudiante graduado en ese momento, nos habían contado sobre sus recientes resultados de mayor temperatura crítica cuando el grafeno de doble capa se proximitiza con WSe2,' Ludwig Holleis, primer autor del artículo, le dijo a Phys.org. 'Comenzamos a investigar esta recién descubierta superconductividad y la mejora de las temperaturas críticas y los campos magnéticos.'

El objetivo principal del estudio reciente llevado a cabo por Holleis y sus colegas era comprender mejor la mejora de las temperaturas críticas y los campos magnéticos previamente informados en el grafeno de doble capa en proximidad al WSe2, así como el estado base del cual emerge. Para hacer esto, examinaron el mismo superconductor que se encontró que exhibía la mayor temperatura crítica durante un estudio anterior llevado a cabo en Caltech.

'Encontramos el mismo superconductor nuevamente en la muestra que medimos y también observamos el segundo superconductor que tiene una temperatura crítica mucho menor,' explicó Holleis. 'En principio, observar el superconductor es la parte fácil ya que simplemente realizamos mediciones de resistencia. Entender sus propiedades es entonces más difícil.

'Para hacer esto, realizamos mediciones de oscilaciones cuánticas de alta resolución, que miden la superficie de Fermi de los electrones—en términos simples, los estados en el espacio de momento en los que el electrón puede vivir.'

De manera interesante, los investigadores descubrieron que las mediciones que recopilaron no eran compatibles con la simetría rotacional del cristal examinado. En cambio, observaron una dirección preferencial, que se conoce como nematicidad.

'La nematicidad se ha encontrado en otros materiales superconductores como los superconductores de hierro, y también podría desempeñar un papel importante para la superconductividad aquí,' dijo Holleis. 'Con el segundo resultado principal, el límite de campos críticos en el plano por emparejamiento orbital, intentamos entender algunos datos más misteriosos.'

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'Básicamente, el campo magnético crítico en el plano está genéricamente establecido por el límite de Pauli, o por el acoplamiento espín-órbita de Ising, como debería ser el caso aquí. Ninguno de estos parecía ajustarse a ninguno de los datos experimentales.'

Después de discutir sus mediciones con el físico teórico Prof. Erez Berg en el Instituto Weizman y su estudiante Yaar Vituri, Holleis y sus colegas propusieron un nuevo mecanismo de emparejamiento para la superconductividad de momentos orbitales en el plano. Su trabajo pronto podría inspirar nuevos estudios que exploren las fases superconductoras distintas que observaron, y al mismo tiempo ayudar a limitar las teorías que predicen los mecanismos de emparejamiento en alótopos de grafito.

'Ya hemos presentado un artículo de seguimiento sobre la superconductividad en el grafeno de tricapa con WSe2, dirigido por otros dos estudiantes graduados de nuestro laboratorio, Caitlin Patterson y Owen Sheekey,' agregó Holleis. 'Más en general, entender estos (ahora muchos) superconductores en grafeno multicapa es difícil, y actualmente estamos trabajando en nuevas técnicas experimentales para extraer sus secretos.'

Más información: Ludwig Holleis et al, Nematicidad y desaparición orbital en grafeno superconductor Bernal de doble capa, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-024-02776-7 Caitlin L. Patterson et al, Superconductividad y inclinación del espín en grafeno trilayer rómbico con proximidad de órbita de espín, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2408.10190 Información de la revista: Nature Physics, arXiv © 2025 Science X Network