El grafeno bicapa torcido (TBG, por sus siglas en inglés) ha capturado la atención de la comunidad científica debido a sus extraordinarias propiedades electrónicas que emergen a partir del ajuste del ángulo de torsión entre dos capas individuales de grafeno. Este ajuste genera patrones de moiré que modifican la estructura electrónica y permiten la aparición de fenómenos cuánticos tales como superconductividad y estados aislantes correlacionados. Sin embargo, para comprender profundamente el comportamiento de este material, es esencial analizar cómo los electrones interaccionan con las vibraciones de la red cristalina, conocidas como fonones. El acoplamiento electrón-fonón (EPC) resulta fundamental para determinar propiedades como la resistencia eléctrica, la conductividad térmica y, en definitiva, el mecanismo que posibilita la superconductividad. La microscopía de torsión cuántica (QTM), desarrollada recientemente y llevada a cabo a temperaturas criogénicas, ha demostrado ser una herramienta innovadora capaz de mapear con precisión la dispersión de fonones y cuantificar el EPC en materiales bidimensionales con estructuras moiré, incluyendo el TBG.
Esta técnica aprovecha la creación de interfaces van der Waals torcidas entre dos heteroestructuras sobre un microscopio de fuerza atómica especialmente diseñado, con control preciso del ángulo de torsión y capacidad de mantener el contacto durante las mediciones. El funcionamiento del QTM se basa en mediciones de corriente de túnel electrónico entre las capas a través de procesos elásticos e inelásticos que conservan el momento. En particular, la aparición de escalones en la conductancia del túnel con el incremento del voltaje aplicado indica la activación de procesos inelásticos donde los electrones emiten fonones, permitiendo así identificar las energías y momentos específicos de estos modos vibracionales. La capacidad de variar el ángulo de torsión de manera continua permite rastrear la evolución de las energías de los fonones con el momento asociado en la mini-zona de Brillouin originada por el patrón moiré. Los experimentos revelan que, en contraste con los fonones acústicos convencionales cuya interacción con electrones disminuye al acercarse al momento cero, ciertos modos de fonones en el TBG, especialmente un modo de baja energía denominado fásico (phason), exhiben un acoplamiento creciente a medida que el ángulo de torsión disminuye.
Este modo está asociado a un movimiento antisímetrico entre las capas que modula directamente los enlaces de túnel intercapas, intensificando el EPC en forma no trivial. La interpretación teórica distingue dos mecanismos de acoplamiento principales: el intrasísmico, que afecta la amplitud de salto electrónico dentro de una misma capa, y el intercapas, que modifica la amplitud de túnel entre capas debido a vibraciones antisímétricas de los átomos. La microscopía de torsión cuántica es especialmente sensible a esta última, ya que el proceso de túnel electrónico que mide está directamente influenciado por la modulación interlayer causada por el fonón fásico. Los datos experimentales muestran que la intensidad de los escalones de conductancia asociados a los modos fonónicos puede cuantificarse y se relaciona directamente con la fuerza del EPC. Este enfoque ha permitido analizar distintos modos, confirmando que los fonones ópticos tienen una fuerza de acoplamiento relativamente constante con el ángulo, mientras que el fásico aumenta su intensidad conforme el ángulo se acerca al rango de interés para superconductividad.
Además, los modelos teóricos respaldan estos hallazgos, destacando la importancia del modo fásico en las propiedades electrónicas del TBG. En términos prácticos, estos descubrimientos tienen profundas implicancias para entender los mecanismos detrás de la superconductividad en grafeno torcido. La fuerte interacción entre electrones y fonones fásicos sugiere que este tipo de acoplamiento puede contribuir significativamente a la formación de pares cooper y, por ende, al fenómeno superconductivo. Asimismo, mientras que los fonones ópticos suelen ser demasiado energéticos para describir fenómenos de transporte lineales en temperatura, el acoplamiento con los fonones fásicos emerge como un candidato principal para explicar la resistividad inusual observada. La microscopía de torsión cuántica abre asimismo oportunidades para avanzar en el estudio de otros materiales bidimensionales y sistemas cuánticos donde colectivos neutrales como plasmones, magnones o espinones interactúan con electrones.
Con sus capacidades únicas para discernir modos específicos y su acoplamiento al transporte electrónico, esta técnica promete transformar la exploración de fenómenos colectivamente emergentes en materiales avanzados. La precisión para medir áreas de contacto del microscopio y controlar el voltaje aplicado permite una cuantificación exacta del acoplamiento, un factor que hasta ahora era difícil de alcanzar con técnicas tradicionales como espectroscopía Raman o dispersión inelástica de electrones. La criogenia es esencial para reducir efectos térmicos que podrían enmascarar las señales por absorción de fonones termales, especialmente relevantes en modos de energía baja. Este avance refleja un progreso esencial en herramientas experimentales para la ciencia de materiales, donde la conjunción entre manipulación mecánica local y detección electrónica delicada permite revelar las interacciones fundamentales en sistemas moiré. En conclusión, la microscopía de torsión cuántica ha establecido un nuevo paradigma para visualizar y analizar directamente la interacción entre fonones y electrones en grafeno bicapa torcido y materiales van der Waals relacionados.
El descubrimiento y caracterización del modo fásico con un EPC creciente cuando el ángulo de torsión disminuye provee insights únicos para el desarrollo de teorías sobre superconductividad y fenómenos de transporte cuánticos emergentes. La aplicabilidad de la técnica a otros excitaciones neutras de materiales cuánticos alienta a futuras investigaciones que profundicen el conocimiento integral de las propiedades colectivas en la física de materiales bidimensionales y heteroestructuras en la frontera de la tecnología cuántica y la nanoelectrónica.
