Dispersión Inter-Valle en Grafeno de Capa Doblada Retorcida

El grafeno bilayer retorcido (TBG) está hecho de dos capas de grafeno que están ligeramente rotadas entre sí. Esta rotación crea propiedades únicas que se pueden estudiar, especialmente cuando se coloca sobre un material especial llamado nitruro de boro hexagonal (hBN). Esta combinación se ha convertido en un área emocionante de investigación.

En este estudio, analizamos un efecto específico llamado Localización débil (WL) y otro llamado antilocalización débil (WAL). Estos efectos están relacionados con cómo se mueven los electrones a través de los materiales y pueden influir en su conductividad, que es una medida de qué tan fácilmente puede fluir la electricidad a través de ellos. El comportamiento de los electrones en TBG puede ser bastante diferente al de los materiales tradicionales debido a su estructura única.

En la capa superior de TBG, los niveles de energía de los electrones crean una forma conocida como cono de Dirac, que permite tipos especiales de movimiento. Sin embargo, la capa inferior tiene una brecha de energía más significativa, lo que afecta cómo interactúan los electrones. En nuestra investigación, asumimos que hay muy pocas impurezas, pequeños defectos que pueden dispersar electrones y cambiar su camino.

A medida que cambiamos el voltaje aplicado al material, descubrimos que la dispersión entre las dos capas de grafeno se vuelve importante. Cuando las áreas donde los electrones pueden existir en las dos capas son similares, notamos cambios interesantes en la conductividad. Nuestra investigación revela una transformación particular entre WL y WAL, lo cual es una observación notable.

Para entender el movimiento de los electrones de una manera más simple, podemos referirnos al modelo de Drude, que es un método común utilizado para explicar cómo se comportan los electrones en los materiales. Sin embargo, este modelo tiene limitaciones, especialmente a bajas temperaturas donde deben considerarse efectos cuánticos, o los comportamientos de las partículas a escalas muy pequeñas. En este caso, los electrones se comportan de manera diferente porque pueden dispersarse de infinitas maneras, creando caminos complejos.

Cuando dos caminos de electrones se encuentran, pueden interferir entre sí, afectando las posibilidades de que un electrón regrese a su punto de partida. Esta interferencia generalmente reduce la conductividad. Aplicar un campo magnético puede interrumpir esta interferencia, cambiando aún más los caminos de los electrones.

En materiales como el grafeno monocapa, que tiene solo una capa, los electrones a menudo muestran antilocalización débil, lo que significa que tienen más probabilidades de alejarse de su ubicación original en lugar de quedarse cerca. Por otro lado, el grafeno bilayer tiende a mostrar localización débil, lo que significa que los electrones son más propensos a permanecer cerca de donde empezaron.

Además del grafeno, otros materiales como semiconductores e aislantes topológicos también se examinan para estos efectos. Los investigadores consideran factores adicionales, como cómo los electrones interactúan entre sí y cómo sus espines afectan el movimiento. Cada uno de estos factores complica aún más el escenario y produce efectos significativos en el comportamiento de la conductividad.

Recientemente, el descubrimiento de fuertes correlaciones, como estados aislantes y superconductores, en TBG cerca de un ángulo crítico conocido como el ángulo mágico ha ganado atención. Cuando las dos capas en TBG están retorcidas en este ángulo mágico, las propiedades de las bandas, o niveles de energía, cerca de un punto específico cambian drásticamente. La energía de los electrones se vuelve similar a la fuerza de interacción causada por sus alrededores inmediatos, lo que significa que se influyen entre sí de manera significativa.

Aunque se ha hecho mucho trabajo para entender las fuertes correlaciones en estas bandas planas, no se ha puesto suficiente foco en cómo se comportan la localización débil y la antilocalización débil en TBG. Se han realizado algunos experimentos, pero quedan muchas preguntas sobre cómo funcionan estos efectos de corrección cuántica en este sistema único en comparación con otras formas de grafeno.

Para estudiar estos efectos, configuramos experimentos colocando grafeno bilayer retorcido sobre el sustrato de hBN. El sistema está diseñado con una baja cantidad de impurezas, enfocándose solo en aquellas que dispersan electrones a lo largo de distancias más largas sin alterar sus giros.

Definimos dos regiones de energía de electrones, llamadas valles, dentro del sistema TBG. Los electrones pueden dispersarse dentro de estos valles o moverse entre ellos. Investigamos cómo esta dispersión cambia el movimiento y las propiedades de la corriente.

La capa inferior de TBG se ve afectada por el sustrato de hBN, que abre una brecha de banda (un rango de niveles de energía donde los electrones no pueden existir). La diferencia de energía entre dos áreas específicas en la estructura se puede controlar con un voltaje.

En nuestra examinación, nos enfocamos en los Cooperones, que describen cómo los movimientos de electrones se afectan entre sí cuando se dispersan. Estos Cooperones brindan información sobre las correcciones de conductividad que observamos.

Nuestra investigación muestra que la relación entre el tamaño de las superficies de Fermi (las áreas donde los electrones pueden existir) en los valles influye directamente en la corrección de conductividad. Cuando las superficies de Fermi son similares en tamaño, la dispersión entre valles contribuye significativamente a la conductividad.

A medida que variamos la energía y ajustamos el voltaje aplicado, podemos cambiar entre localización débil y antilocalización débil. Encontramos que ciertas configuraciones de voltaje conducen a un escenario donde la dispersión entre valles se vuelve esencial, cambiando drásticamente el comportamiento general de la conductividad.

En nuestros hallazgos, presentamos cómo la temperatura y los campos magnéticos afectan la conductividad. A medida que la temperatura cambia, la longitud de coherencia (la distancia promedio a la que el electrón mantiene su fase) también varía. Proporcionamos una visión clara de cómo la conductividad cambia bajo diferentes condiciones, especialmente a medida que pasamos de la localización débil a la antilocalización débil.

Cuando se introduce un campo magnético, altera el flujo de electrones de una manera que puede medirse. Esto se debe a que el campo magnético crea niveles de Landau, que discretizan los niveles de energía. Podemos relacionar esto con cómo los efectos cuánticos interactúan con el campo magnético aplicado, llevando a cambios en la conductividad.

Mapeamos diagramas de fase para ilustrar la localización débil y la antilocalización débil a través de diferentes energías y voltajes. En sistemas con ángulos de torsión más pequeños, vemos una dispersión entre valles más pronunciada. Sin embargo, con ángulos más grandes, los efectos se debilitan, llevando a distinciones más claras entre las regiones de WL y WAL sin superposición.

En resumen, nuestra exploración revela el papel crucial de la dispersión entre valles para entender la localización débil y la antilocalización débil en el grafeno bilayer retorcido. La transformación entre estos estados muestra que ajustes delicados en el voltaje pueden llevar a cambios significativos en la conductividad, especialmente al considerar las características únicas de TBG.

Nuestros hallazgos pueden ayudar a futuros experimentos a comprender mejor las propiedades de transporte de materiales bidimensionales, particularmente aquellos con estructuras complejas. Este trabajo abre caminos para estudios más profundos y posibles aplicaciones en dispositivos electrónicos.