El grafeno bicapa torcido (TBG, por sus siglas en inglés) ha emergido como uno de los sistemas más fascinantes y prometedores dentro del campo de los materiales bidimensionales. Su capacidad para revelar propiedades electrónicas únicas, como superconductividad y estados topológicos, depende crucialmente de la interacción entre los electrones y las vibraciones del retículo, conocidas como fonones. Entender esta interacción es fundamental para desentrañar los mecanismos físicos que gobiernan el comportamiento de estos materiales y abrir nuevas vías tecnológicas basadas en la ingeniería de las capas atómicas. En este contexto, la microscopía cuántica de torsión (Quantum Twisting Microscopy, QTM) ha surgido como una técnica revolucionaria que permite observar y mapear, con alta precisión, los espectros de fonones y el acoplamiento electrón-fonón (EPC) en sistemas de grafeno bicapa torcido a temperaturas criogénicas. La importancia de este avance reside en su capacidad para superar las limitaciones de métodos tradicionales, ofreciendo una visión directa y momentum-resuelta de los procesos de acoplamiento que subyacen al comportamiento electrónico y térmico de estos materiales.
La interacción entre electrones y fonones es un fenómeno fundamental en la física de sólidos, pues afecta notablemente la conductividad eléctrica, la transferencia de calor y la superconductividad. En materiales bidimensionales, con simetrías y propiedades extraordinarias como el grafeno, esta interacción presenta características singulares. En capas individuales de grafeno, el EPC es especialmente débil, lo que conlleva una movilidad electrónica elevadísima y comportamientos de transporte poco comunes, como el régimen hidrodinámico. Sin embargo, al introducir un ángulo de torsión entre dos capas, se genera una estructura moiré, una superred periódica que modifica las propiedades electrónicas y vibracionales del sistema. Esta superestructura da lugar a modos fonónicos únicos, denominados fonones moiré o fasesónicas, que involucran movimientos antisimbólicos de las dos capas y que pueden interaccionar intensamente con los electrones.
Para explorar este complejo escenario, la microscopía cuántica de torsión implementada a bajas temperaturas permite formar una interfaz controlablemente torcida entre dos estructuras van der Waals, una sustentada en una punta de microscopio de fuerza atómica y otra en un sustrato plano. Este dispositivo crea un plano de contacto de dimensiones nanoscópicas en el que la torsión entre capas se puede ajustar de forma continua y precisa. Mediante el análisis del túnel electrónico entre capas, se distingue la transferencia elástica, que refleja el espectro electrónico, y la inelástica, mediada por la emisión o absorción de fonones, lo cual da acceso al espectro vibracional. Los experimentos con QTM evidencian que la conductancia del sistema presenta escalones y picos correlacionados con los modos fonónicos activados por procesos de túnel inelástico que conservan el momento. Al variar el ángulo de torsión y el sesgo aplicado, se trazan dispersivamente las líneas espectrales de diferentes fonones.
En sistemas de grafito bicapa, se identifican claramente ramas acústicas y ópticas, con un excelente acuerdo entre datos experimentales y modelos teóricos que incorporan las constantes de fuerza y acoplamientos inter e intra-capa. Cuando la atención se fija en el grafeno bicapa torcido, la técnica revela comportamientos excepcionales. Se mide el espectro de fonones del mini-Brillouin zone generado por la torsión y se observa un modo de baja energía -el modo faseónico- cuya interacción con los electrones aumenta conforme disminuye el ángulo de torsión. Esta característica desafía el comportamiento esperado para fonones acústicos estándar, cuyo acoplamiento tiende a decrecer cuando el momento se aproxima a cero. El entendimiento de este fenómeno radica en dos mecanismos principales de acoplamiento.
El primero, denominado acoplamiento intra-capa, surge cuando un fonón modifica la amplitud de enlace electrónico dentro de cada capa, afectando virtualmente el túnel inter-capa. Debido a que esta contribución es de segundo orden respecto al proceso de túnel, su impacto es relativamente menor en la señal medida. El segundo mecanismo, el acoplamiento inter-capa, está directamente relacionado con la variación del enlace electrónico entre capas debido a movimientos antisimbólicos de la estructura atómica -precisamente el modo faseónico-. Este efecto se manifiesta en primer orden en la conductancia inelástica y explica la peculiar tendencia de aumento del EPC con la reducción de ángulo. Este comportamiento inusual se articula con la amplitud del movimiento atómico asociado a la energía de punto cero (ZPM, por sus siglas en inglés), que para el modo faseónico incrementa al reducir el momento correspondiente al ángulo de torsión.
A diferencia de los fonones acústicos convencionales, donde la deformación se distribuye sobre múltiples enlaces y el EPC disminuye en el límite de momentos pequeños, el modo faseónico genera una deformación directa y concentrada sobre los enlaces inter-capa, intensificando su interacción con los electrones. La cuantificación del EPC se realiza mediante la medición cuidadosa de la conductancia diferencial en función del sesgo y del ángulo, junto con la caracterización in situ del área efectiva de la punta y el estado de densidad electrónica de ambas capas. Los resultados señalan que, aunque la contribución de fonones ópticos es significativa y relativamente independiente del ángulo, la contribución del modo faseónico acústico puede ser comparable en magnitud y aumenta considerablemente al acercarse a bajos ángulos de torsión, alcanzando valores que podrían influir de forma decisiva en fenómenos como superconductividad y comportamiento de metal extraño (strange metal). Además de ofrecer un mapeo sin precedentes del espectro phonónico y del acoplamiento modo-resuelto en TBG, la técnica introduce herramientas para analizar la dependencia del EPC respecto a parámetros experimentales como el área de contacto y la densidad de estados. Se observa que la amplitud de los pasos de conductancia escala linealmente con el producto de las densidades de estados y con el área ocupada por la punta, confirmando la validez del modelo teórico empleado.
El aporte de la microscopía cuántica de torsión no se limita al estudio del grafeno bicapa, sino que abre una ventana experimental hacia la exploración de diversos modos colectivos neutros en materiales van der Waals y heteroestructuras relacionadas. Fenómenos como plasmones, magnones y espinones podrían, en principio, ser abordados bajo esta óptica, siempre que se cumplan condiciones como la existencia de Fermi pockets pequeños y velocidades de las excitaciones menores que la velocidad de los electrones. La capacidad de controlar el ángulo de torsión y realizar mediciones criogénicas amplía el rango de parámetros accesibles y la resolución de detalles intrínsecos, lo que representa un avance significativo respecto a técnicas previas basadas en dispersión inelástica de fotones o electrones. Desde la perspectiva teórica, el desarrollo de modelos que distinguen entre contribuciones intra e inter-capa, y la integración de parámetros experimentales en la interpretación, permitirá no sólo comprender mejor los resultados actuales sino también proyectar las implicaciones hacia ángulos de torsión magnéticos y condiciones de alta correlación electrónica, que son las regiones de interés para emergentes estados de la materia cuántica. La comprensión profunda obtenida de la interacción electrón-fonón, especialmente del papel dominante del modo faseónico en el régimen de ángulos pequeños, tiene relevancia directa para la interpretación de fenómenos como la superconductividad en TBG y la resistividad lineal en temperatura que caracteriza a los metales extraños observados en estas plataformas.
La intensidad y naturaleza del acoplamiento pueden influir en la fuerza del pareamiento superconductivo y en los mecanismos de dispersión responsables de las propiedades de transporte. En resumen, la microscopía cuántica de torsión representa una herramienta avanzada que ha transformado la capacidad de observar y cuantificar la interacción entre electrones y fonones en sistemas torcidos de grafeno. Mediante la combinación de precisión experimental y modelado teórico riguroso, se han identificado modos fonónicos únicos con un acoplamiento electrónico inusual, ampliando el panorama de comprensión en física de materiales bidimensionales y abriendo horizontes para la manipulación controlada de estados cuánticos emergentes. Esta técnica promete extender su impacto a un amplio espectro de materiales van der Waals, y podría acelerar significativamente la investigación y desarrollo de dispositivos basados en propiedades electrónicas y vibracionales sintonizables a nivel atómico.
