Revelant l’estructura quàntica oculta del grafè bicapa girat mitjançant llum de terahertzs

Han passat menys de deu anys des que els científics van col·locar dues capes de grafè l’una sobre l’altra, les van girar exactament 1,1° i van observar l’aparició de fenòmens exòtics com la superconductivitat i fases topològiques de la matèria. L’aparició d’aquesta nova física va atreure l’atenció de la comunitat científica, i aviat el sistema en conjunt es va conèixer com a "grafè bicapa girat en angle màgic".

Aquest angle màgic ha estat estudiat extensament des de llavors, la major part dels esforços centrant-se a entendre com les interaccions electròniques donen lloc a aquestes fases quàntiques col·lectives exòtiques. Tanmateix, s’ha predit que els electrons a nivell individual també poden exhibir comportaments quàntics intrigants determinats per la geometria de les seves funcions d’ona, és a dir, la seva geometria quàntica. Ara bé, observar aquests comportaments segueix suposant un gran repte.

Recentment, un equip d’investigadors de l’ICFO, el Dr. Roshan Krishna Kumar, en Geng Li, en Riccardo Bertini, el Dr. Krystian Nowakowski, el Dr. Sebastian Castilla, el Dr. Hitesh Agarwal, Sergi Batlle Porro, Matteo Ceccanti, el Dr. Antoine Reserbat-Plantey, la Dra. Giulia Piccinini, el Dr. Julien Barrier, la Dra. Ekaterina Khestanova, el Dr. Petr Stepanov, dirigits pel Prof. ICREA Frank Koppens, ha aportat nous coneixements sobre la geometria quàntica del grafè bicapa girat en angle màgic. Utilitzant llum en el règim dels terahertzs, han revelat comportaments quàntics anòmals dels electrons quan aquests experimenten certes transicions energètiques, generant corrent sense que s’hi apliqui cap camp elèctric.

D’aquesta manera, els investigadors han desvelat fenòmens electrònics que sovint romanen ocults en els experiments de transport quàntic, el mètode principal per caracteritzar aquest tipus de materials. A més, la tècnica proposada ha permès entendre amb més profunditat la naturalesa quàntica fonamental de les fases d’alta temperatura que poden sorgir en el grafè. L’estudi, publicat a Nature Materials, s’ha dut a terme en col·laboració amb The University of Texas, Massachussets Institue of Technology, Imdea Nanoscience, RWTH Aachen University, Forschungszentrum Jülich, CNRS, National Institute for Materials Science (Namiki, Tsukuba), California Institute of Technology, Donostia International Physics Center, Nanyang Technological University, University of Notre Dame, National High Magnetic Field Laboratory (Tallahassee, Florida) i Florida State University.

Llum de terahertzs per a revelar efectes d’interacció

Segons els investigadors, experiments anteriors van analitzar el material fent servir llum de l’infraroig mitjà. En canvi, ells han utilitzat una font d’energia més baixa, en el règim dels terahertzs, que ha estat essencial per a accedir a les propietats quàntiques dels electrons. “Els experiments amb terahertzs encara requereixen coneixements i habilitats especialitzades”, explica el Dr. Roshan Krishna Kumar, primer autor de l’article. “Simplement no hi ha tantes fonts ni components òptics que siguin fàcils d’utilitzar per a aquest tipus d’estudis”.

A més, treballar amb aquesta mena de llum i detectar-la és especialment difícil a causa de la desproporció entre els dispositius estàndard (que tenen dimensions de desenes de micres) i la longitud d’ona de la llum de terahertzs (que és de centenars de micres). Aquests obstacles expliquen per què els intents previs s’havien centrat principalment en el règim de l’infraroig mitjà. “Per a nosaltres, ha estat un repte. Però finalment hem aconseguit registrar una resposta significativa fent servir un sistema criogènic, construït al nostre laboratori, acoblat a un làser de gas de terahertzs. També hem tingut la sort que els nostres dispositius tenien una resposta intrínsecament alta en el règim dels terahertzs”, afegeix el investigador.

El paper de la geometria quàntica

Després d’una investigació més detallada, els científics van confirmar que aquests efectes sorgeixen a partir del caràcter de l’estat quàntic dels electrons, codificat en la seva funció d’ona. En el grafè bicapa girat, la configuració física (com l’angle de torsió entre capes) i l’alineació amb certs substrats (per exemple, el nitrur de bor hexagonal) influeixen directament en la seva geometria quàntica, és a dir, en la forma i estructura de la funció d’ona dels electrons. Cada cop es comprèn millor que els canvis en la geometria quàntica poden alterar profundament les propietats electròniques, en alguns casos conduint a la superconductivitat i les fases topològiques. No obstant això, com que aquesta informació està codificada tant en l’amplitud com en la fase de les funcions d’ona, rastrejar com evolucionen i com aquesta transformació afecta el comportament del material és extremadament difícil.

Per mesurar aquestes propietats de la funció d’ona, els investigadors van enviar llum de terahertzs a la mostra de grafè girat. L’excitació resultant va causar "salts quàntics" en la posició dels electrons, generant una fotocorrent. Aquest fenomen és especialment interessant perquè la fotocorrent es genera dins del cristall, a diferència de la majoria de respostes optoelectròniques conegudes, que ocorren en unions PN. Aquesta fotocorrent es va registrar mitjançant mesures de la polarització, analitzant les respostes electròniques en direccions específiques.

Curiosament, això va revelar un comportament complex, ja que la direcció de la fotocorrent canviava segons el nombre d’electrons presents a la xarxa del grafè girat, indicant que les interaccions electròniques remodelen la geometria quàntica de les partícules individuals en el sistema.

D’aquesta manera, els investigadors han aconseguit rastrejar els canvis en la geometria quàntica, ja que aquests quedaven impresos directament en la fotocorrent detectada, cosa que les mesures tradicionals de transport quàntic no havien pogut revelar. Cal destacar que la propietat mesurada no s’origina en la coneguda curvatura de Berry, sinó en una quantitat diferent anomenada vectors de desplaçament. Així, aquest estudi estableix els experiments de fotocorrent de terahertzs com una nova tècnica per explorar la geometria quàntica en materials quàntics, especialment en sistemes de banda plana (on l’energia dels estats electrònics no depèn del seu moment) amb ressonàncies intrínseques en el règim dels terahertzs.

A més, s’han observat diversos fenòmens que havien romàs ocults en experiments anteriors, incloent-hi bretxes d’energia entre diferents estats electrònics que normalment queden emmascarades en els experiments de transport quàntic, i com les interaccions electròniques modifiquen els nivells d’energia.

"Hem fet els nostres experiments a temperatures relativament altes, per sobre aquelles on normalment es manifesten els fenòmens més exòtics. Tot i així, la fotocorrent ha revelat diverses característiques noves", comparteix Riccardo Bertini, estudiant de doctorat i autor principal de l’article. I es pregunta: "Què passaria si poguéssim arribar a temperatures encara més baixes? Probablement podríem descobrir comportaments encara més intrigants i desconeguts en el grafè bicapa girat en angle màgic. Seria fascinant veure altres investigadors aplicar aquesta tècnica a diferents materials quàntics, i potser revelar que la geometria quàntica juga un paper fonamental en altres fases exòtiques de la matèria".

A més de l’interès fonamental, el treball, realitzat en el marc del projecte PhotoTBG, amb el suport the FLAG-ERA, obre el camí cap a una nova generació de fotodetectors de terahertzs amb sensibilitat a la polarització incorporada, capaços de descodificar l’estat de polarització de la llum incident.

Referència:

Krishna Kumar, R., Li, G., Bertini, R. et al. Terahertz photocurrent probe of quantum geometry and interactions in magic-angle twisted bilayer graphene. Nat. Mater. (2025).

DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-025-02180-3

Agraïments:

R. B acknowledges funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement No 847517. J.B. acknowledges support from the European Union’s Horizon Europe program under grant agreement 101105218. E. K acknowledges Marie-Sklodowska-Curie Fellowship, Project SUPERTERA, Ref. 101033521. P.A.P, Z.Z and F.G acknowledges support from the "Severo Ochoa" Programme for Centres of Excellence in R\&D (Grant No. SEV-2016-0686). Z.Z. acknowledges support funding from the European Union's Horizon 2020 research and innovation programme under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement No 101034431 and from the ``Severo Ochoa" Programme for Centres of Excellence in R\&D (CEX2020-001039-S / AEI / 10.13039/501100011033). P.A.P and F.G. acknowledge funding from the European Commission, within the Graphene Flagship, Core 3, grant number 881603 and from grants NMAT2D (Comunidad de Madrid, Spain), SprQuMat and (MAD2D-CM)-MRR MATERIALES AVANZADOS-IMDEA-NC. S.B.P acknowledges the support of the “Presencia de la Agencia Estatal de Investigación” within the “Convocatoria de tramitación anticipada, correspondente al año 2020, de las ayudas para contractos predoctorales (Ref. PRE2020-094404) para la formación de doctores contemplada en el Subprograma Estatal de Fromación del Programa Estatal de Promoción del Talento y su Empleabilidad en I+D+i, en el marco del Plan Estatal de Investigacón Científica y Técnica de Innovación 2017-2020, cofinanciado por el Fondo Social Europeo”. E.I. and C.S acknowledge funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation program under grant agreement No. 881603 (Graphene Flagship) and from the European Research Council (ERC) under grant agreement No. 820254, the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) under Germany’s Excellence Strategy - Cluster of Excellence Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q) EXC 2004/1 - 390534769. H.A. acknowledge funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under Marie Skłodowska-Curie grant agreement no. 665884. K.W. and T.T. acknowledge support from the JSPS KAKENHI (Grant Numbers 20H00354 and 23H02052) and World Premier International Research Center Initiative (WPI), MEXT, Japan. J. S acknowledges the Singapore Ministry of Education Tier 2 grant MOE-T2EP50222-0011. G.R. expresses gratitude for the support by the Simons Foundation, and the ARO MURI Grant No. W911NF-16-1-0361 and the Institute of Quantum Information and Matter. C.L. was supported by start-up funds from Florida State University and the National High Magnetic Field Laboratory. The National High Magnetic Field Laboratory is supported by the National Science Foundation through NSF/DMR-2128556 and the State of Florida. PJH acknowledges support by the National Science Foundation (DMR-1809802), the STC Center for Integrated Quantum Materials (NSF Grant No. DMR1231319), the Gordon and Betty Moore Foundation’s EPiQS Initiative through Grant GBMF9463, the Ramon Areces Foundation, and the ICFO Distinguished Visiting Professor program. This material is based upon work supported by the Air Force Office of Scientific Research under award number FA8655-23-17047. Any opinions findings, and conclusions or recommendations expressed in this material are those of the authors and do not necessarily reflect the views of the United States Air Force. C. S. acknowledges the supported by the FLAG-ERA grant PhotoTBG, by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) - 471733165. R. K K and F. H. K acknowledges funding by MCIN/AEI/ 10.13039/501100011033 and by the “European Union Next GenerationEU/PRTR" PCI2021-122020-2A within the FLAG-ERA grant [PhotoTBG], by ICFO, RWTH Aachen.