9 de noviembre de 2019

Indicios de superconductividad en el diseleniuro de wolframio bicapa rotado con ángulo pequeño

La superconductividad en el grafeno bicapa rotado con ángulo mágico (MA-TBLG) auguró su observación en heteroestructuras de van der Waals. Se acaban de publicar los primeros indicios de superconductividad en el diseleniuro de wolframio (WSe2) bicapa rotado con un ángulo de 5.1º, con una temperatura crítica cercana a 3 K; se han observado dos domos superconductores separados por un aislante que podría ser de tipo Mott para el semillenado de las bandas. Además, para ángulos pequeños las medidas de efecto Hall parecen apoyar la hipótesis de que aparecen estados electrónicos fuertemente correlados; por supuesto, se necesitan más estudios experimentales para confirmar estos primeros indicios.

En otro artículo se estima el ángulo mágico, para el que se observan bandas planas de forma experimental, para el WSe2 bicapa rotado (tWSe2) en unos 3º, es decir, bastante inferior a los 5.1º en los que se observa la superconductividad. Y más aún, en un tercer artículo se han observado indicios de superconductividad en el WSe2 de bicapa doble rotado con un ángulo de 3º, y temperatura crítica de unos 6 K; te recuerdo que una bicapa doble rotada está formada por cuatro hojas, pero solo están rotadas las dos superiores respecto a los dos inferiores.

Sin lugar a dudas la twistrónica, cuyo padre putativo es Pablo Jarillo-Herrero (MIT, EE UU) nos dará grandes sorpresas en el campo de los materiales fuertemente correlados. Más allá del MA-TBLG hay muchos dicalcogenuros de metales de transición (TMDs) bidimensionales con los que se pueden construir bicapas rotadas con ángulo variable. Los nuevos artículos son los siguientes: Lei Wang, En-Min Shih, …, Cory R. Dean, "Magic continuum in twisted bilayer WSe2," arXiv:1910.12147 [cond-mat.mes-hall] (26 Oct 2019); Zhiming Zhang, Yimeng Wang, …, Brian J. LeRoy, "Flat bands in small angle twisted bilayer WSe2," arXiv:1910.13068 [cond-mat.str-el] (29 Oct 2019); y Zhiming Zhang, Yimeng Wang, …, Brian J. LeRoy, "Flat bands in small angle twisted bilayer WSe2," arXiv:1910.13068 [cond-mat.str-el] (29 Oct 2019);

El artículo de Zhang et al.  usa una dispositivo en el que el tWSe2 rotado con un ángulo de 3º se sitúa encima de una bicapa de grafeno entre dos capas de nitruro de boro hexagonal (BN). La parte superior está parcialmente recubierta de BN para facilitar la observación mediante un microscopio de efecto túnel (STM) de la muestra enfriada a una temperatura de 4.6 K; poer cierto, el grafeno bicapa facilita el paso de la corriente a través del tWSe2  desde la punta del microscopio STM.

La imagen STM de la derecha muestra el MA-TBLG, en el que los electrones se sitúan en los lugares AA del patrón de moiré, dejando sin ocupar los lugares AB y BA. Sin embargo, la imagen STM de la izquierda muestra que en el tWSe2 rotado con un ángulo mágico de 3º los electrones se sitúan en "puentes" que unen los lugares AB y BA, c on una baja densidad de electrones en los lugares AA.

Esta figura, abajo a la izquierda, muestra más claramente la situación de los electrones en los "puentes" entre los lugares AB y BA para el tWSe2  con ángulo mágico, es decir, estructura de bandas plana. Cuando la densidad local de estados (LDOS) de los electrones se aleja de las bandas planas resulta que los electrones se localizan en los lugares AA, como muestran las figuras central y derecha abajo. Estos resultados se ajustan muy bien a las predicciones teóricas, p. ej., Mit H. Naik, Manish Jain, "Ultraflatbands and Shear Solitons in Moiré Patterns of Twisted Bilayer Transition Metal Dichalcogenides," Phys. Rev. Lett. 121: 266401 (28 Dec 2018), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.266401, arXiv:1803.09240 [cond-mat.mtrl-sci] (25 Mar 2018).

Esta figura muestra el dispositivo tWSe2 rotado de Wang et al.; se usan electrodos de platino debajo del tWSe2  y se encapsula todo entre nanocapas de BN. Se han fabricado dispositivos con ángulos de rotación entre 2º y 7º, aunque se presentan resultados solo para ángulos entre 4º y 5.1º.

Esta figura izquierda se muestra la resistividad para diferentes dopados con huecos para el dispositivo tWSe2  enfriado a 1.8 K con cinco ángulos diferentes (Bernal es el nombre que recibe el estado sin rotar, es decir, el estado de apilamiento natural de las multicapas de WSe2). Se observan picos en la resistencia para el semillenado (1/2 filling) de las bandas cuya posición se desplaza a mayores densidades de huecos conforme crece el ángulo de rotación.

En la figura derecha arriba se muestra la dependencia de la resistencia respecto a la temperatura cerca del semillenado de las bandas para una dispositivo tWSe2  con un ángulo de 4.2º. Por debajo de 10 K se observa un gran incremento de la resistividad que se asocia a la aparición de un estado aislante debido a las correlaciones fuertes entre los portadores.

Esta figura arriba muestra que al aplicar un campo magnético (hasta 13 T) al tWSe2  con un ángulo de 4.5º  aparecen abanicos de Landau en función de la densidad de llenado. La extrapolación de estos abanicos permite determinar la posición de los bordes de las bandas de valencia, es decir, las posiciones de bandas vacías (0 a la derecha) y completamente llenas (−1 a la izquierda).

La figura abajo muestra las medidas de la resistencia Hall cuyo signo se invierte al pasar por el nivel de semillenado conforme crece la densidad de estados. Estos resultados son similares a los predichos por los modelos teóricos de los materiales rotados que presentan un patrón de moiré. Así, se reafirma que el estado semilleno corresponde a un aislante fuertemente correlado (aunque las medidas solo apuntan a un estado de alta resistividad).

La superconductividad se ha observado en el tWSe2  con un ángulo de 5.1º. Esta figura a la izquierda muestra que alrededor de un estado aislante para semillenado se observan dos domos de resistencia cero; en realidad el instrumento de medida tiene un ruido de fondo de ∼ 10 Ω, luego solo se puede decir que la resistencia es inferior a dicho valor (que es prácticamente cero comparada con los 10 kΩ del estado aislante).

En la figura a la derecha se observa la dependencia de la resistividad respecto a la temperatura para semillenado (0.5 ns), curva azul, para el domo superconductor a su izquierda (0.57 ns), y para el domo a su derecha (0.42 ns). No se observa una caída brusca de la temperatura crítica, pero se estima una  temperatura crítica de unos 3 K. Además, a partir de unos 15 K la resistividad es una curva lineal en función de la temperatura, como se espera para un superconductor no convencional.

En resumen, en mi opinión estamos ante los primeros indicios de superconductividad en el WSe2  bicapa rotado con un ángulo de 5.1º. Futuros estudios experimentales tendrán que confirmarlo. Aún así, las diferencias entre este material y el MA-TBLG prometen ayudar a entender mejor este fenómeno en materiales twistrónicos. Sin lugar a dudas estamos viviendo tiempos apasionantes en este campo.

La entrada Indicios de superconductividad en el diseleniuro de wolframio bicapa rotado con ángulo pequeño fue escrita en La Ciencia de la Mula Francis.




☛ El artículo completo original de Francisco R. Villatoro lo puedes ver aquí.

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