La naturaleza de las correlaciones electrónicas en las fases aislantes que aparecen en el grafeno bicapa rotado

El grafeno bicapa rotado es un sistema formado por dos capas de grafeno entre las que existe un ángulo de rotación, formándose un patrón Moiré. Cuando el ángulo de rotación es pequeño, se produce un fuerte acoplo entre las capas, que es especialmente importante a los llamados “ángulos mágicos”. Además, la estructura de bandas en torno al nivel de Fermi se estrecha muchísimo, alcanzándose anchos de banda de , y las cuales se conocen como “bandas planas”. En esta situación, la densidad de electrones se concentra en ciertas regiones del espacio, formando una superred triangular, donde cada “super-sitio” de la superred está formado por miles de átomos provenientes de las dos capas de grafeno.

Hace unos meses, Pablo Jarillo Herrero y su grupo en el MIT mostraron que al dopar electrostáticamente (aplicando un voltaje de puerta) con huecos o electrones el grafeno rotado en un ángulo mágico (aproximadamente 1º), se obtenían unas fases aislantes a un determinado valor de dichos dopajes. Estas fases aislantes no se pueden explicar como consecuencia de la aparición de un gap de banda, por lo que se cree que aparecen como consecuencia de las correlaciones entre los electrones en las bandas planas. Estas fases aislantes aparecen a un llenado específico de las bandas (2 electrones o 2 huecos por celda unidad de la superrred). Los valores del llenado a los que aparecen los estados aislantes han llevado a interpretar estos estados como aislantes de Mott.

En torno al aislante de Mott del lado dopado con huecos, aparecen sendas fases superconductoras, lo que sugiere cierta similitud con otros superconductores, como los cupratos. Además, la baja densidad de portadores (con respecto a la fase aislante) a las que se obtienen dichas fases superconductoras es récord frente a la obtenida en otros sistemas.

Todo esto abre nuevas posibilidades para estudiar el diagrama de fases de manera sistemática y sin introducir desorden debido al dopaje, como si ocurre en otros superconductores. Además, se abre una nueva vía para controlar el efecto de las correlaciones mediante la variación del ángulo entre las dos capas.

Nuestro objetivo ha sido clarificar la naturaleza de las correlaciones electrónicas de cara a confirmar que las observaciones experimentales son compatibles con la física de los aislantes de Mott. Para describir la física de Mott es frecuente incluir solo las correlaciones locales (es decir, las correlaciones que hay entre electrones en el mismo sitio de la red cristalina). En este trabajo, hemos comparado las predicciones que surgen al incluir solamente las correlaciones locales con algunos resultados experimentales de Pablo Jarillo y su grupo (ver figura): (i) al aumentar la temperatura el sistema pasa de aislante a tener un carácter metálico, (ii) al aplicar un campo magnético el sistema también se va volviendo más metálico y (iii) el gap que se obtiene en la fase aislante es bastante más pequeño que la energía de interacción y que el ancho de banda

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Dependencia con el campo magnético y con la temperatura de la fase aislante. Se puede ver que a campos magnéticos altos y a temperaturas bajas, el sistema pasa de tener un carácter aislante a uno metálico. Figuras tomadas de Y.Cao et al. Nature 556 (2018).

En el trabajo demostramos que ninguna de estas situaciones se puede explicar si sólo consideramos las correlaciones locales. No obstante, argumentamos que incluyendo correlaciones entre electrones que están en diferentes sitios de la red (es decir, correlaciones no locales) estos experimentos podrían explicarse y serían compatibles con la idea de que la fase aislante es un aislante de Mott. Más trabajo en esta dirección sería necesario para poder entender esta fase y poder establecer un marco de referencia para estudiar las fases superconductoras que se obtienen en torno a ella.

M. Pizarro, M. J. Calderón and E. Bascones, The nature of correlations in the insulating states of twisted bilayer graphene.