El grafeno bicapa retorcido (TBG, por sus siglas en inglés) ha emergido como uno de los materiales más fascinantes y prometedores en la ciencia de los materiales modernos, principalmente gracias a su capacidad para exhibir fenómenos cuánticos únicos, entre ellos, la superconductividad y el comportamiento extraño de sus electrones. La interacción fundamental entre electrones y fonones dentro de estos sistemas es un área de interés crucial, pues determina propiedades esenciales como la conductividad eléctrica y térmica, así como el posible surgimiento de estados superconductores. La microscopía cuántica de torsión (QTM) representa un avance revolucionario para analizar estas interacciones a un nivel sin precedentes, abriendo una ventana directa para mapear la dispersión de fonones y el acoplamiento electrón-fonón (EPC) específico de modos individuales en materiales bidimensionales retorcidos. Los fonones, como cuasipartículas que representan las vibraciones colectivas de la red cristalina, desempeñan un papel vital en la física de sólidos. En sistemas como el grafeno monoláyero, el EPC es excepcionalmente débil, lo que favorece una movilidad electrónica extremadamente alta y un transporte balístico a escala micrométrica, aspectos esenciales para el desarrollo de dispositivos electrónicos acelerados y altamente eficientes.
Sin embargo, en el grafeno bicapa retorcido, especialmente cuando se acerca a ciertos ángulos de torsión, los fenómenos se vuelven mucho más complejos y ricos debido a la aparición de patrones moiré que modulan la estructura electrónica y vibracional del sistema. En este contexto, la microscopía cuántica de torsión a temperaturas criogénicas aporta una herramienta única que permite formar interfaces ajustables entre dos heteroestructuras bidimensionales mediante la rotación controlada, generando así un dispositivo experimental ideal para estudiar las dinámicas de fonones y electrones con precisión. Gracias a esta técnica, se ha demostrado la capacidad para observar tanto la dispersión electrónica a través de un tunelamiento elástico que conserva el momento, como las dispersión de fonones mediante procesos de tunelamiento inelástico que igualmente respetan la conservación del momento. Lo más significativo reside en que la intensidad del tunelamiento inelástico ofrece una medida cuantitativa directa del EPC, escapando a las limitaciones de métodos anteriores basados en dispersión inelástica de fotones, electrones u otras técnicas indirectas. Los experimentos con grafito retorcido permiten tener un sistema relativamente simple donde se observan las diferentes ramas acústicas y ópticas de los fonones, identificándose tanto modos como el transversal acústico (TA), el vertical acústico (ZA) y los modos ópticos longitudinal (LO) y transversal (TO).
La variación de la conductancia medida en función del ángulo de torsión y del voltaje aplicado muestra, mediante picos definidos, la activación de procesos inelásticos de emisión de fonones que varían con el momento transferido, lo que se corresponde directamente con la dispersión fonónica teórica calculada. Al transicionar específicamente al grafeno bicapa retorcido, se descubre un fenómeno extraordinario: un modo de baja energía cuya interacción electrónica aumenta al reducir el ángulo de torsión, a diferencia de lo esperado en los fonones acústicos estándar donde esa interacción disminuye al acercarse a momentum nulo. Este comportamiento anómalo se atribuye a una vibración antisymétrica entre capas, denominada modo de fase, o phason, que modula de manera significativa la intensidad del tunelamiento intercapas al afectar las amplitudes de acoplamiento entre las hojas de grafeno. El mecanismo físico detrás de esta interacción pone de manifiesto dos tipos de acoplamientos principales. El primero, el acoplamiento dentro de la capa, surge cuando los fonones modifican las amplitudes de salto electrónico t∥, afectando los electrones dentro de la misma hoja gráfica.
Sin embargo, dado que la medición depende de electrones que efectúan tunelamiento entre capas, este aporte aparece como un proceso de orden superior, de segundo orden, al involucrar estados virtuales y emisión de fonones internos. El segundo mecanismo, el acoplamiento intercapas, es más profundo en el contexto de TBG: se basa en los movimientos antisymétricos entre átomos de las dos capas, que estiran los enlaces intercapas y modifican directamente las amplitudes de tunelamiento t⟂, generando un acoplamiento de primer orden en el proceso experimental. La importancia de esta diferencia radica en que la intensidad observada y su dependencia con el momento refleja directamente la naturaleza y fuerza de este acoplamiento intercapas, indicando un crecimiento inversamente proporcional a la raíz cuadrada del momentum al acercarse a cero, una característica sorprendente para un modo acústico. Para cuantificar esta interacción y confirmar la robustez de los datos, se utilizan mediciones in situ tanto del área efectiva del contacto en la punta como de las densidades de estados electrónicas en las capas involucradas, mediante una cuidadosa calibración y mapeo de los modos acústicos y ópticos. Estas medidas directas permiten confirmar la dependencia lineal del paso en la conductancia con la densidad de estados, conforme a la teoría, y robustecer la extracción cuantitativa del EPC.
La comparación entre el EPC de los modos ópticos (TO y LO) y el modo de phason revela que este último no solo es relevante, sino que su fuerza de acoplamiento es comparable e incluso puede superar al de los modos ópticos cerca de ángulos bajos de torsión, con importantes implicaciones para la física de bajas temperaturas y fenómenos como la superconductividad y el estado metálico extraño atribuido en TBG. El estimado del parámetro adimensional λ que determina la fuerza del acoplamiento electrónico a fonones sirve para entender la posible contribución de cada modo a fenómenos emergentes. Mientras que los fonones ópticos, con su alta frecuencia, tienen una influencia preponderante en la superconductividad, su participación en la resistencia lineal en temperatura es limitada dado su elevado umbral energético. Por otro lado, la interacción pronunciada con el modo de phason contribuye eficazmente a la dispersión de portadores electrónicos y explica fenómenos como la resistencia metálica extraña observada experimentalmente. La realización técnica del microscopio cuántico de torsión criogénico es también digna de destacar.
Consiste en una configuración avanzada de microscopía de fuerza atómica con capacidad para rotar uno de los heteroestructuras vdW con precisión y mantener un contacto limpio y auto-limpiado a temperaturas del orden de 4 K, crucial para minimizar ruido térmico y activar procesos de emisión fonónica sin limitaciones térmicas. La integración de tecnología de punta en posicionamiento y detección permite estabilizar el área del contacto a pesar de la torsión continua y obtener datos de conductancia y espectroscopía extremadamente detallados. Los desarrollos teóricos avalan y explican los resultados experimentales con un modelo que incorpora tanto las contribuciones in-layer como interlayer al EPC, basándose en la dinámica atómica y la modulación de los parámetros electrónicos. El modelo también explica la ausencia de algunos modos, como el longitudinal acústico, debido a consideraciones geométricas y ortogonalidad en los vectores de polarización y momento. Adicionalmente, se prevé la existencia de una apertura limitada en la energía del modo de phason por efectos mecánicos y posibles desordenes de la estructura moiré, aunque estos efectos se esperan ser pequeños y no alterar significativamente la interpretación principal.
Más allá del grafeno, la potente técnica desarrollada y validada puede aplicarse para estudiar una amplia variedad de materiales van der Waals y sus excitaciones colectivas neutras, incluyendo plasmones, magnones y espinones. La condición de tener pequeños bolsillos Fermi y velocidades de excitación inferiores a la velocidad electrónica favorece la aplicación de estas herramientas para cuantificar modos colectivos que han sido hasta ahora difíciles de estudiar con resolución tanto en energía como momentos específicos. Asimismo, la posibilidad de introducir capas aislantes que contengan excitaciones neutras en la interfaz giratoria abre un camino para explorar nuevos estados cuánticos y materiales innovadores, impulsando la frontera del conocimiento en la física de la materia condensada y la nanotecnología cuántica. En resumen, la microscopía cuántica de torsión representa un salto cualitativo para medir y entender el acoplamiento electrón-fonón en estructuras de grafeno bicapa retorcido. La herramienta no solo confirma teorías existentes sobre la relevancia de modos nuevos como los phasons, sino que también ofrece los medios para una caracterización precisa y directa de fenómenos complejos que condicionan propiedades críticas en materiales cuánticos.
Este avance científico contribuye a develar el misterioso comportamiento de TBG y allana el camino para futuros descubrimientos y aplicaciones en nanoelectrónica, superconductividad y otras tecnologías emergentes.
