El artículo estudia una de las fases más exóticas del grafeno: el grafeno bicapa rotado al ángulo mágico. Si se apilan dos láminas de grafeno y se giran alrededor de un grado, los electrones dejan de moverse libremente y pasan a hacerlo en “bandas planas”, donde las interacciones entre ellos se vuelven muy fuertes. En este trabajo se demuestra que, en ese sistema, coexisten dos tipos de electrones: unos “ligeros”, rápidos y coherentes, y otros “pesados”, lentos y desordenados, de forma parecida a los llamados metales de fermiones pesados.
Para detectarlos, fabricamos un dispositivo de grafeno al ángulo mágico con una unión p–n definida por puertas (gates). En lugar de medir solo corriente al aplicar un voltaje, usan luz láser para calentar localmente el dispositivo y observar el voltaje termoeléctrico que aparece: el efecto foto-termoeléctrico, ligado al coeficiente Seebeck. Este voltaje dice, de forma muy sensible, qué tipo de portadores (electrones u “huecos”) están dominando el transporte de calor y carga.
A temperaturas muy bajas (~10 K), encontramos un resultado sorprendente: en un material “normal” el voltaje termoeléctrico cambia de signo cuando se pasa de un régimen dominado por huecos a otro dominado por electrones. En el grafeno al ángulo mágico, en cambio, el signo se mantiene incluso cuando, según la densidad de carga, debería invertirse. Es decir, el sistema se comporta como si los electrones ligeros mandaran siempre en el transporte, mientras que los electrones pesados, aunque existen, apenas contribuyen porque tienen tiempos de vida muy cortos debido a sus fuertes interacciones.
Interpretamos estos resultados con un modelo de fermiones pesados topológicos, en el que bandas ligeras e itinerantes se hibridan con estados muy localizados y pesados. Las simulaciones reproducen cualitativamente las oscilaciones y el signo anómalo del coeficiente Seebeck observado en el experimento. Así, estos resultados proveen la primera demostración experimental de que portadores de carga ligeros y pesados conviven en el grafeno bicapa rotado.
Más allá del interés fundamental, usar un material tan “simple” como carbono para emular física de fermiones pesados, el trabajo sugiere que el grafeno al ángulo mágico podría ser útil como material termoeléctrico criogénico y como plataforma versátil para explorar nuevos estados correlacionados, desde superconductividad hasta posibles efectos tipo Kondo en heteroestructuras de van der Waals.
Pie de Figura. a) Dibujo esquemático del experimento, donde una unión pn de grafeno bicapa rotado es excitada con un láser infrarrojo. b) Diagrama del gradiente térmico y el efecto Seebeck en el experimento. c) Materiales que forman la heteroestructura estudiada. d) Medida del efecto termoeléctrico (panel superior) y expectación teórica en un modelo semiclásico (panel inferior) e) Izquierda: Visualizacioón de portadores pesados y ligeros conviviendo en una super-celda de moiré. Derecha: Cálculo de la estructura de banda con interacciones para el grafeno bicapa rotado, incluyendo el carácter (ligero o pesado) de los portadores.