Interactions and superconductivity in twisted and untwisted graphene stacks

• Autores: Alejandro Jimeno Pozo
• Directores de la Tesis: Francisco Guinea López (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2024
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 29
• Títulos paralelos:
  • Interacciones y superconductividad en sistemas de grafeno rotado y sin rotar
• Tribunal Calificador de la Tesis: Rodolfo Miranda Soriano (presid.), Cristina Gómez-Navarro (secret.), Andrey Chubukov (voc.), Elena Bascones Fernandez de Velasco (voc.), María Navarro Gastiasoro (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física de la Materia Condensada, Nanociencia y Biofísica por la Universidad Autónoma de Madrid; la Universidad de Murcia y la Universidad de Oviedo
• Calificación: Sobresaliente Cum Laude
• Materias:
  • Física
    • Electromagnetismo
      • Superconductividad
    • Física del estado sólido
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen

  • La caracterización experimental de fases correlacionadas y superconductividad en la bicapa de grafeno rotado (TBG) y otros sistemas rotados tales como las tricapas, tetracapas, pentacapas rotadas y otros sistemas como la doble bicapa rotada (TDBG), así como en los sistemas basados en grafeno sin rotar tricapa romboédrica (RTG) y la bicapa Bernal (BBG), ha motivado un esfuerzo inmenso por desvelar el papel de las interacciones electrónicas en estos sistemas. Consecuentemente, esta tesis está dedicada al estudio del efecto que las interacciones electrón-electrón tienen en las propiedades electrónicas de sistemas basados en grafeno, con un especial énfasis en la superconductividad.

    En una primera parte, la tesis trata las interacciones electrónicas en la aproximación de Hartree-Fock en sistemas rotados. Se introducen los términos Hartree y Fock para un sistema periódico, atendiendo especialmente a los procesos Umklapp existentes en los sistemas moiré. Esta aproximación a la interacción de Coulomb se utiliza en concreto para analizar la competición entre interacciones de corto y largo alcance en función del ángulo de giro en el TBG. Alrededor del ángulo mágico, la densidad de estados diverge debido a la aparición de bandas estrechas, favoreciendo el papel desempeñado por las interacciones de largo alcance. A otros ángulos pequeños, pero no mágicos, las interacciones de corto alcance imperan sobre la parte de largo alcance de la interacción. Esto sugiere que estas interacciones a escala atómica juegan un papel fundamental en las fases aislantes observadas en muestras con ángulos no mágicos, en los que la fase superconductora se ve suprimida. Otra consecuencia de estos resultados es la relevancia de la competencia entre las interacciones de corto y largo alcance, y la necesidad de considerar ambas para estudiar cuantitativamente las propiedades electrónicas de los sistemas basados en grafeno.

    La segunda parte de la tesis gira en torno a la superconductividad. En primer lugar, se introduce el fenómeno de la superconductividad y la teoría Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) para superconductores convencionales. La superconductividad no convencional, mediada por interacciones electrónicas, se introduce usando el mecanismo de Kohn-Luttinger (KL) que sirve como base para el marco teórico empleado para investigar la superconductividad en sistemas basados en grafeno. l modelo teórico, conocido como KL-RPA, incorpora el efecto de las excitaciones electrón-hueco, los plasmones y los fonones para calcular el apantallamiento de la interacción de Coulomb en la aproximación de fase aleatoria (RPA). En concreto, se analiza la emergencia de superconductividad debido a interacciones puramente electrónicas en la bicapa Bernal y la tricapa ABC, obteniendo temperaturas críticas y parámetros de orden acordes con la fenomenología experimental. Estos resultados son reproducidos y extendidos para otras multicapas no rotadas como la tricapa ABC o las tetracapas ABAB y ABCA, en los que además se investiga la influencia de las interacciones electrón-fonón. Por lo general, la superconductividad mediada por el potencial de Coulomb apantallado es similar en todos los sistemas no rotados considerados, con temperaturas críticas entre decenas y cientos de milikelvin y parámetros de orden triplete de spin con simetría de onda-$f$. De igual manera, esta temperatura crítica base no se ve afectada por las interacciones electrón-fonón en los sistemas no rotados, lo que sugiere que algún tipo de superconductividad no convencional debería poder observarse en multicapas de grafeno sin girar de manera sistemática en condiciones similares que la bicapa Bernal o el RTG.

    Por el contrario, un enfoque similar centrado en sistemas rotados como el TBG, TDBG y la tricapa rotada helicoidal (hTTG), sugieren que las interacciones electrón-electrón no son suficientes por sí mismas para dar lugar a una superconductividad que se asemeje a las observaciones experimentales. En particular, se analiza la superconductividad a lo largo de una transición entre la estructura de bandas del TBG y el TDBG en el ángulo mágico, y a lo largo de una transición entre un TBG y un hTTG. En los sistemas rotados considerados la inclusión de interacciones electrón-fonón es determinante para obtener una temperatura crítica razonable, aunque los procesos Umklapp juegan un papel aún más decisivo en el caso del TBG para que la temperatura crítica alcance el orden de pocos Kelvin, en línea con las observaciones experimentales. También en paralelo a la fenomenología experimental, el marco teórico KL-RPA aplicado al TDBG da lugar a temperaturas críticas del orden de decenas de milikelvin, así cómo, predice superconductividad alrededor de cien milikelvin en el hTTG que aún no ha sido observada.

    El notable parecido entre las observaciones experimentales y la fenomenología superconductora obtenida dentro del marco teórico KL-RPA tanto en sistemas rotados como no rotados, que se extiende a lo largo de tres órdenes de magnitud para la temperatura crítica, junto con la universalidad del mecanismo de Kohn-Luttinger, sugieren que las interacciones electrónicas desempeñan un papel fundamental en el emparejamiento superconductor de los sistemas multicapa de grafeno rotados y sin rotar.