Primera observación espacial completa de una superred de segundo orden en una bicapa rotada de grafeno

En marzo de 2018, un equipo internacional dirigido por Pablo Jarillo-Herrero del MIT informó sobre el descubrimiento de superconductividad cuando dos láminas de grafeno (una capa bidimensional, es decir, de un átomo de grosor, de grafito) se apilaban una sobre otra con un ángulo de giro de 1.1º. La pequeña rotación entre las capas induce un patrón de interferencia (conocido como patrón moiré) con una periodicidad que depende del ángulo de giro. Para el “ángulo mágico” específico de 1.1º, las propiedades electrónicas cambian de una manera tan dramática que aparecen fenómenos exóticos como la superconductividad descubierta.

Después de eso, científicos de materiales de todo el mundo comenzaron a apilar y girar materiales bidimensionales, con la esperanza de que surgieran efectos interesantes, como interacciones correlacionadas y superconductividad. Como se esperaba, rotaciones ligeras dieron sistemáticamente lugar a fenómenos físicos exóticos, alterando drásticamente las propiedades electrónicas de las monocapas por sí solas.

Hoy en día, los dispositivos de bicapa rotada ya son una práctica bastante "estándar", y la comunidad ha comenzado a aumentar el número de capas rotadas. Esto puede provocar un efecto de interferencia entre las redes moiré correspondientes a diferentes pares de bicapas rotadas. Como resultado, tal "superred moiré de dos redes moiré" puede tener periodicidades de cientos de nanómetros, excediendo las de las redes moiré subyacentes. Debido a este aumento tan considerable en la periodicidad, la llamada superred de segundo orden (SOSL, por sus siglas en inglés) puede observarse espacialmente con técnicas ópticas. Aunque algunas técnicas (como la STM) han proporcionado información sobre los mecanismos que ocurren dentro de este tipo de estructuras, estas solo pueden abordar una pequeña subsección del dispositivo, ofreciendo información limitada. En cambio, una visualización directa y completa de la distribución espacial de las SOSLs a lo largo de un dispositivo proporcionaría un conocimiento fundamental más profundo y potencialmente revelaría características que todavía no han sido descubiertas.

La observación de la distribución espacial de toda una SOSL aún estaba pendiente hasta que, recientemente, se publicó un artículo en Nature Materials. Investigadores del ICFO, el Dr. Niels C. H. Hesp, Sergi Batlle-Porro, el Dr. Roshan Krishna Kumar, el Dr. Hitesh Agarwal, el Dr. David Barcons Ruiz, el Dr. Hanan Herzig Sheinfux, el Dr. Petr Stepanov, liderados por el Prof. ICREA Frank H. L. Koppens, en colaboración con NIMS y la Universidad de Notre Dame, informaron sobre un nuevo tipo de experimento que, por primera vez, mapea la SOSL entera dentro de un dispositivo bicapa rotada de grafeno.

El equipo apiló dos capas de grafeno sobre una capa de nitruro de boro hexagonal (hBN). Luego realizaron mediciones criogénicas de fotovoltaje a escala nanométrica (en resumen, cryoSNOM) y mediciones de transporte electrónico. Las primeras combinan una alta resolución espacial con una sensibilidad extrema a las propiedades electrónicas locales, mientras que las segundas se utilizaron para verificar los ángulos de torsión entre las capas y confirmar la presencia de la física del ángulo mágico. Respaldado por simulaciones, el equipo finalmente desveló la sensibilidad sin precedentes de las SOSLs a la tensión experimentada por el material y al ángulo de giro entre las capas. Sin embargo, el viaje para llegar hasta estos resultados estuvo repleto de sorpresas.

De problemas de medición a indicios de una SOSL

Toda la historia comenzó cuando el equipo aplicó nanoimágenes criogénicas y mediciones de transporte electrónico a la muestra. El objetivo inicial era obtener indicios de física correlacionada y superconductividad, pero durante el proceso observaron algunos patrones inusuales que nadie había visto antes. Su reacción inmediata fue suponer que le sucedía algo al sistema de medición.

“El cryoSNOM estaba enfrentando muchos problemas, por lo que sospechamos que el cabezal (el punto de contacto del sistema de medición con la muestra) estaba roto”, explica el Dr. Niels Hesp, primer autor del artículo. Pero pareció ser que, al menos en ese momento concreto, el sistema de medición funcionaba perfectamente.

Entonces decidieron explorar más a fondo estos patrones inesperados, los cuales presentaban una alta periodicidad (de unos 400 nanómetros), en un intento de descubrir su naturaleza y origen. Al final, los investigadores se dieron cuenta de que estas periodicidades de largo alcance eran un claro indicio de SOSLs. “Eso también fue muy extraordinario, debido a que es muy improbable tener un dispositivo preparado en este estado”, recuerda Hesp, ya que “es muy difícil obtener los ángulos de giro exactamente correctos”.

El equipo no tenía esa intención en un principio, pero aprovecharon la oportunidad. Así, cambiaron de rumbo y se enfocaron en el siguiente paso: realizar las mediciones adecuadas en la muestra para caracterizarla completamente. Sabían que era un desafío, ya que con el mínimo voltaje el dispositivo podría quemarse. Debían ser extremadamente cuidadosos. “En algún momento, el cryoSNOM inesperadamente comenzó a calentarse, lo que rompió parcialmente la muestra. Pude arreglarlo a tiempo, evitando daños irreparables. Afortunadamente, el dispositivo solo tenía un pequeño agujero en el medio, dejando la superred de segundo orden sorprendentemente intacta”, comparte el Dr. Petr Stepanov.

Otra sorpresa llegó justo después de eso, cuando los investigadores notaron en las simulaciones que la superred de segundo orden se manifiesta cuando la alineación entre las capas de grafeno coincide exactamente con el ‘ángulo mágico’ de la bicapa rotada de grafeno. Sin embargo, Hesp señala la inexistencia de una relación fundamental entre ambos fenómenos: “No vemos ninguna causalidad entre el ángulo de torsión donde ocurre la física del ángulo mágico y donde ocurre una SOSL, y por lo tanto para nosotros es una coincidencia. Sin embargo, esto significa que cuando el ángulo de giro de la capa de hBN está ajustado correctamente, el dispositivo de bicapa rotada de grafeno no solo muestra física del ángulo mágico, sino que también alberga una SOSL, lo que hace que la física de las bicapas de grafeno rotadas con el ángulo mágico sea aún más rica”. Hesp también sospecha que, aunque a primera vista la configuración informada no modifica la física del ángulo mágico, sí que afectará al modo en que algunos fenómenos exóticos (como el efecto Hall anómalo) se manifiestan dentro de estos sistemas.

Una "lupa" para ajustar con precisión la tensión y los ángulos de torsión en la bicapa de grafeno

Las observaciones espaciales holísticas que el equipo realizó mostraron que pequeñas variaciones en la tensión y el ángulo de torsión provocaban cambios drásticos en la estructura de la superred de segundo orden. En este sentido, el método presentado sirve como una “lupa” para detectar pequeñas desviaciones con respecto a la tensión y los ángulos de torsión deseados. De este modo, se podría usar para realizar controles de calidad en dispositivos de bicapas de grafeno rotadas con el ángulo mágico, evitando inexactitudes durante su proceso de fabricación.

Hesp, quien comenzó este proyecto justo al final de su doctorado, está orgulloso de cómo resultó todo: “Si me preguntas cuál es la belleza de este trabajo, diría que no solo es la fascinante riqueza en superredes que uno puede crear, sino también el hecho de que revela un efecto significativo que está presente en gran parte de las bicapas rotadas de grafeno pero que pasaba desapercibido cuando la gente las estudiaba”.

Referencia:

Hesp, N.C.H., Batlle-Porro, S., Krishna Kumar, R. et al. Cryogenic nano-imaging of second-order moiré superlattices. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01993-y

Acknowledgements:

F.H.L.K. acknowledges financial support from the Government of Catalonia through the SGR grant, and from the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness through the Severo Ochoa Programme for Centres of Excellence in R&D (no. SEV-2015-0522) and Explora Ciencia (no. FIS2017-91599-EXP). F.H.L.K. also acknowledges support from the Fundacio Cellex Barcelona, Generalitat de Catalunya, through the CERCA program and the Mineco grant Plan Nacional (no. FIS2016-81044-P) and the Agency for Management of University and Research Grants (AGAUR) (no. 2017-SGR-1656). Furthermore, the research leading to these results has received funding from the European Union’s Horizon 2020 programme under grant agreement nos. 785219 (Graphene Flagship Core2), 881603 (Graphene Flagship Core3) and 820378 (Quantum Flagship). This work was supported by the ERC under grant agreement no. 726001 (TOPONANOP). P.S. acknowledges support from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under the Marie Skłodowska-Curie grant no. 754510. N.C.H.H. acknowledges funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement no. 665884. K.W. and T.T. acknowledge support from JSPS KAKENHI (grant nos. 19H05790, 20H00354 and 21H05233). This project has received funding from the ‘Presidencia de la Agencia Estatal de Investigación’ within the PRE2020-094404 predoctoral fellowship.