Hallado el origen de uno de los fenómenos más intrigantes en las bicapas de grafeno con ángulo mágico

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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. Su hallazgo, que acaba de ser publicado en la revista Nature Communications, refuta teorías anteriores sobre esta intrigante propiedad de las bicapas de grafeno de 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 [1 K equivale a -272,15 °C]", explica Leni Bascones, investigadora en el ICMM y autora del estudio. Su trabajo demuestra que el origen de este fenómeno es otro.

En concreto, este estudio viene a demostrar que se espera que aparezcan 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 autora del trabajo.

La clave de esta investigación, que tiene unas connotaciones esenciales para estudiar materiales como los superconductores no convencionales, 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", destaca 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", enfatiza 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 mencionados superconductores. 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.