Artículo destacado octubre-diciembre 2018: “Campos gauge controlados eléctricamente en una bicapa de grafeno rotada”

Artículo seleccionado como artículo destacado del GEFES en la convocatoria correspondiente a artículos publicados entre octubre y diciembre de 2018.

Por José Luis Lado.

“Campos gauge controlados eléctricamente en una bicapa de grafeno rotada”

De entre los diferentes perturbaciones exóticas que las partículas cuánticas pueden sufrir, los campos gauge son uno de los casos paradigmáticos debido a su simplicidad matemática y sus profundas implicaciones fundamentales. El campo electromagnético es el ejemplo mas sencillo de campo gauge, y en materiales tiene como efecto paradigmático la creación de niveles de Landau, dando lugar al efecto Hall cuántico. Teóricamente, otros tipos de campos gauge pueden existir en materiales, lo que se conoce como campos gauge artificiales. Estos campos gauge artificiales han sido creados en el laboratorio bajo condiciones muy controladas. Sin embargo, dada su complejidad, implementar esas técnicas en dispositivos electrónicos es una tarea desafiante.
En este artículo [1] mostramos un sistema sencillo donde un campo gauge artificial se puede crear simplemente aplicando un voltaje a un material: una bilayer de grafeno twisteada, requiriendo condiciones que se pueden implementar de forma realista en un dispositivo electrónico.

El grafeno forma parte de los materiales bidimensionales, y esta formado por una red hexagonal de átomos de carbono. Dada su naturaleza química, diferentes laminas de grafeno interaccionan mediante fuerzas de van der Waals. Esto tipo de fuerzas son relativamente débiles, lo que permite depositar dos láminas de grafeno con un ángulo relativo entre ellas arbitrario, dando lugar a una superestructura con una nueva escala de longitud: la red de moire. Estos patrones permiten crear cristales artificiales, donde las propiedades electrónicas son controladas por el ángulo entre las dos láminas. En particular, este tipo de estructuras han permitido crear experimentalmente redes de canales topológicos, estados dominados por correlación electrónica y superconductividad, todas simplemente usando dos laminas de grafeno.

En nuestro artículo [1] predecimos teóricamente, usando una combinación de técnicas analíticas y computacionales, que una bilayer de grafeno con un ángulo de rotación de 0.2 grados es un sistema ideal para crear campos gauge artificiales eléctricamente. Este sistema tiene una modulación de su estructura a través del espacio debido al patrón de moire. La clave es que, al aplicar un voltaje entre las dos láminas, los electrones de grafeno adquieren una modulación de sus propiedades a través del espacio. Este tipo de modulación es matemáticamente equivalente a un campo gauge artificial, cuya magnitud es proporcional al voltaje aplicado en la bilayer, lo que permite crear un campo gauge controlado eléctricamente.

Un campo gauge artificial tiene pseudo niveles de Landau asociados, estados localizados en el espacio que son controlados por la magnitud del campo gauge. En el caso de este campo gauge artificial, usando un cálculo numérico exacto, mostramos que el primer pseudo nivel de Landau forma lo que se conoce como una red de Kagome. La red de Kagome es una red altamente frustrada, que tiene el potencial de dar lugar a un estado exótico denominado liquido cuántico de espin. El control eléctrico del campo gauge artificial permite controlar las propiedades microscópicas de esta red emergente de Kagome, proporcionando un sistema muy atractivo para explorar posibles líquidos cuánticos de espín en el laboratorio.

Controlar las propiedades de grafeno de forma eléctrica supone un paso clave hacia dispositivos electrónicos que explotan propiedades exóticas de este material. En particular, el control eléctrico de un campo gauge en grafeno abre la puerta a posibles aplicaciones tecnológicas de campos gauge artificiales en dispositivos electrónicos. Finalmente, desde el punto de vista fundamental, la posibilidad de crear una red frustrada en grafeno abre la puerta a explorar exóticos líquidos cuánticos de espín, en un sistema donde la densidad y propiedades microscópicas de los electrones pueden ser controladas de forma eléctrica. Estas dos propiedades se suman a los numerosos avances en la física de materiales bidimensionales twisteados, muestran el gran potencial que estos sistemas ofrecen para realizar exóticos estados de la materia, y ejemplifican el potencial impacto que estos materiales pueden tener en las futuras tecnologías cuánticas.

Campos gauge controlados eléctricamente en una bicapa de grafeno rotada

Campos gauge controlados eléctricamente en una bicapa de grafeno rotada.

[1] Aline Ramires and Jose L. Lado, Phys. Rev. Lett. 121, 146801 (2018)