El grafeno ángulo mágico, específicamente el grafeno bicapa torsionado con un ángulo aproximado de 1,1 grados, ha revolucionado el campo de los materiales bidimensionales gracias a sus extraordinarias propiedades electrónicas y superconductoras. Este sistema compuesto por dos capas de grafeno giradas ligeramente una respecto a la otra genera bandas planas en el espacio recíproco, las cuales intensifican la interacción electrónica y permiten la manifestación de fenómenos como estados aislantes, fases topológicas y superconductividad. A pesar de los avances notables en su caracterización, todavía existen preguntas esenciales sobre los mecanismos microscópicos que impulsan su fase superconductora y la naturaleza del gap que la caracteriza. El estudio de la dinámica de las quasipartículas y del superfluido en este contexto aporta respuestas cruciales y herramientas metodológicas innovadoras para avanzar en este desafío. Una de las mayores dificultades en la investigación del grafeno ángulo mágico reside en la naturaleza bidimensional del material y en las bajas escalas energéticas involucradas, lo que imposibilita o dificulta enormemente la aplicación de técnicas convencionales empleadas en materiales volumétricos, como la calorimetría, la espectroscopía de fotoemisión con resolución angular (ARPES) o la dispersión de neutrones.
En consecuencia, es imperativo desarrollar métodos experimentales y teóricos que permitan acceder a magnitudes termodinámicas esenciales como el calor específico, el acoplamiento electrón-fonón y la rigidez del superfluido de manera directa y confiable. Un enfoque innovador para la exploración del comportamiento electrónico fuera del equilibrio en el grafeno ángulo mágico consiste en la implementación de un contacto comúnmente llamado unión Josephson definida electrostáticamente en el material. Este dispositivo mesoscópico actúa como un enlace superconductivo débil entre regiones superconductoras, permitiendo la medición de propiedades inherentes del sistema mediante la observación de su respuesta a corrientes de polarización continua y alterna en rangos de frecuencia de radiofrecuencia. La dinámica de transición entre estados superconductor y resistivo, caracterizada por parámetros como las corrientes de conmutación y reenganche, y sus dependencias en frecuencia, revelan la interacción entre los quasipartículas electrónicas y la condensado superconductora. Experimentos recientes han demostrado que existen dos procesos observables que dominan la dinámica a bajas frecuencias en la unión Josephson de grafeno torsionado.
El primero de estos procesos está asociado con la termalización de las quasipartículas electrónicas a través de su acoplamiento con fonones acústicos. Debido a que la emisión de fotones debido a radiación negra y la difusión de electrones calientes hacia los electrodos superconductores están suprimidas por mecanismos físicos propios del sistema, el acoplamiento con fonones emerge como el canal dominante para la disipación de energía y enfriamiento electrónico. De esta manera, la tasa de termalización refleja de forma profunda las propiedades electrónicas y de acoplamiento con el entorno vibracional, permitiendo extraer parámetros como la constante de acoplamiento electrón-fonón y el calor específico electrónico. El segundo proceso fundamental se relaciona con la respuesta inductiva del condensado superconductivo, también denominado rigidez o densidad del superfluido. En el régimen de altas frecuencias, la inductancia cinética, originada en la inercia de los pares de Cooper, genera una impedancia inductiva que afecta la propagación de señales de corriente alterna.
Debido a las bajas densidades electrónicas y las altas masas efectivas en el grafeno ángulo mágico, esta inductancia es particularmente notable, marcando un límite claro en la respuesta dinámica de la unión Josephson. La medición precisa de esta rigidez condensa información vital sobre la naturaleza del estado superconductivo. Al analizar experimentalmente la respuesta de la unión Josephson bajo corrientes de polarización con una superposición de componentes DC y AC de diferentes frecuencias, se ha observado que las corrientes críticas para la conmutación entre estados superconductor y resistivo varían con la frecuencia del estímulo. En frecuencias bajas, la influencia de la componente AC provoca un estrechamiento del lazo de histéresis, mientras que a frecuencias mayores, el efecto desaparece progresivamente. Este comportamiento pone de manifiesto diferencias significativas en los tiempos característicos de los mecanismos de conmutación (relacionado con la inductancia cinética y la corriente crítica) y de reenganche (relacionado con la disipación térmica y la termalización de las quasipartículas).
El modelo teórico desarrollado para describir estos fenómenos integra una ecuación de fase superconductora dependiente del tiempo con una ecuación de balance térmico que considera la capacidad térmica electrónica, la disipación Joule y la pérdida térmica hacia el entorno a través del acoplamiento con fonones. La presencia en paralelo de regiones normales al superconductivo, con sus correspondientes resistencias y la inductancia cinética de los electrodos superconductores, permite reproducir las características observadas experimentalmente, incluyendo la variación de las corrientes de conmutación y reenganche con la frecuencia del AC aplicado. Estos hallazgos ofrecen además información valiosa sobre la naturaleza del gap superconductivo en el grafeno ángulo mágico. La dependencia observada de la densidad del superfluido en función de la corriente de polarización muestra un comportamiento lineal en un amplio rango de valores, lo que es incompatible con un gap isotrópico típico de superconductores convencionales. Por el contrario, este resultado apoya la hipótesis de que la superconductividad en el grafeno ángulo mágico presenta un gap altamente anisotrópico o nodal, similar a lo observado en superconductores no convencionales.
Esta conclusión tiene profundas implicaciones para la identificación del mecanismo de emparejamiento y para el diseño futuro de dispositivos basados en este material. La estimación de la constante de acoplamiento electrón-fonón obtenida a partir de la tasa de enfriamiento térmico en el régimen experimental (temperaturas del orden de 100 mK) indica un valor pequeño (aproximadamente 10^-3). Esto sugiere que, a bajas temperaturas, el enfriamiento electrónico vía fonones acústicos está en un régimen Bloch-Gruneisen, donde el scattering umklapp y la resistencia asociada disminuyen fuertemente, y que la interacción electrónica fuerte probablemente no se origine en una interacción fonón-mediada. Esta conclusión añade evidencia en favor de teorías que postulan mecanismos de superconductividad de origen electrónico en el grafeno ángulo mágico y cuestiona la interpretación de la resistencia lineal en temperatura como resultado directo del acoplamiento electrónico-fonón a bajas temperaturas. La capacidad para medir directamente propiedades termodinámicas tan relevantes desde la dinámica fuera de equilibrio de una unión Josephson en un material 2D es un avance significativo en las técnicas experimentales en física de materiales.
