Revelando la estructura cuántica oculta del grafeno bicapa rotado con luz de terahercios

Han pasado menos de diez años desde que los científicos colocaron dos capas de grafeno una sobre otra, las giraron exactamente 1.1º y observaron la aparición de fenómenos exóticos como superconductividad y fases topológicas de la materia. El desbloqueo de esta nueva física atrajo la atención de la comunidad científica, y pronto el sistema en conjunto se conoció como "grafeno bicapa rotado en ángulo mágico".

Este ángulo mágico ha sido estudiado extensamente desde entonces, la mayoría de los esfuerzos centrándose en comprender cómo las interacciones electrónicas conducen a estas exóticas fases cuánticas colectivas. Sin embargo, se ha predicho que los electrones a nivel individual también exhiben comportamientos cuánticos intrigantes determinados por la geometría de sus funciones de onda, es decir, su geometría cuántica. Con todo, la observación de estos comportamientos sigue siendo un gran reto.

Ahora, un equipo de investigadores del ICFO, el Dr. Roshan Krishna Kumar, Geng Li, 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, dirigidos por el Prof. ICREA Frank Koppens, ha aportado nuevos conocimientos sobre la geometría cuántica del grafeno bicapa rotado en ángulo mágico. Usando luz en el régimen de los terahercios, revelaron comportamientos cuánticos anómalos de los electrones cuando estos experimentan ciertas transiciones energéticas, generando corriente sin que se aplique un campo eléctrico.

De esta manera, los investigadores desvelaron fenómenos electrónicos que a menudo permanecen ocultos en los experimentos de transporte cuántico, el método principal para caracterizar este tipo de materiales. Además, la técnica propuesta permitió entender con mayor profundidad la naturaleza cuántica fundamental de las fases de alta temperatura que pueden surgir en el grafeno. El estudio, publicado en Nature Materials, se llevó a cabo en colaboración con 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) y Florida State University.

Luz de terahercios para revelar efectos de interacción

Según los investigadores, experimentos previos analizaron el material usando luz del rango medio del infrarrojo. En cambio, ellos utilizaron una fuente de menor energía, en el régimen de terahercios, lo que fue esencial para acceder a las propiedades cuánticas de los electrones. "Los experimentos con terahercios todavía requieren conocimientos y habilidades especializadas", explica el Dr. Roshan Krishna Kumar, primer autor del artículo. "Simplemente no hay tantas fuentes ni componentes ópticos que sean fáciles de usar para este tipo de estudios".

Además, trabajar y detectar este tipo de luz es particularmente difícil debido a la desproporción entre los dispositivos estándar (que tienen dimensiones de decenas de micrómetros) y la longitud de onda de la luz de terahercios (que es de cientos de micrómetros). Estos obstáculos explican por qué los intentos anteriores se centraron principalmente en el rango medio del infrarrojo. "Para nosotros, fue un desafío. Pero finalmente logramos registrar una respuesta significativa utilizando un sistema criogénico, construido en nuestro laboratorio, acoplado a un láser de gas de terahercios. También tuvimos la suerte de que nuestros dispositivos tenían una respuesta intrínsecamente alta en el régimen de los terahercios", añade el investigador.

El papel de la geometría cuántica

Tras investigar más a fondo las muestras, los investigadores confirmaron que estos efectos surgen a partir del carácter del estado cuántico de los electrones, codificado en su función de onda. En el grafeno bicapa rotado, la configuración física (como el ángulo de torsión entre las capas) y la alineación con ciertos sustratos (por ejemplo, el nitruro de boro hexagonal) influyen directamente en su geometría cuántica, es decir, en la forma y estructura de la función de onda de los electrones. En concreto, se está empezando a comprender que los cambios en la geometría cuántica pueden alterar profundamente las propiedades electrónicas, en algunos casos impulsando la superconductividad y las fases topológicas. Sin embargo, dado que esta información está codificada tanto en la amplitud como en la fase de las funciones de onda, rastrear cómo evolucionan y cómo esta transformación afecta el comportamiento del material es extremadamente difícil.

Para medir estas propiedades de la función de onda, los investigadores enviaron luz de terahercios a la muestra de grafeno rotado. La excitación resultante causó "saltos cuánticos" en la posición de los electrones, generando una corriente fotónica. Este fenómeno es particularmente interesante porque la fotocorriente se genera en el interior del cristal, a diferencia de la mayoría de las respuestas optoelectrónicas conocidas, que ocurren en uniones PN. Esta fotocorriente se registró mediante mediciones de la polarización, analizando las respuestas electrónicas en direcciones específicas. Curiosamente, esto reveló un comportamiento complejo en el que la dirección de la fotocorriente cambiaba según el número de electrones presentes en la red del grafeno rotado, indicando que las interacciones electrónicas remodelan la geometría cuántica de las partículas individuales en el sistema.

De esta manera, los investigadores lograron rastrear cambios en la geometría cuántica, ya que quedaron impresos directamente en la fotocorriente detectada, algo que las mediciones tradicionales de transporte cuántico no habían podido revelar. Cabe destacar que la propiedad medida no se origina en la conocida curvatura de Berry, sino en una cantidad distinta conocida como vectores de desplazamiento. Por todo ello, este estudio establece los experimentos de fotocorriente de terahercios como una nueva técnica para explorar la geometría cuántica en materiales cuánticos, especialmente en sistemas de banda plana (donde la energía de los estados electrónicos no depende de su momento) con resonancias intrínsecas en el rango de terahercios.

Además, observaron una variedad de fenómenos que habían permanecido ocultos en experimentos anteriores, incluyendo brechas de energía entre diferentes estados electrónicos que normalmente quedan enmascaradas en experimentos de transporte cuántico, y cómo las interacciones electrónicas modifican los niveles de energía.

"Hicimos nuestros experimentos a temperaturas relativamente altas, por encima de aquellas en las que normalmente se manifiestan los fenómenos más exóticos. Aun así, la fotocorriente reveló varias características nuevas", comenta Riccardo Bertini, estudiante de doctorado y autor principal del artículo. Y se pregunta: "¿Qué pasaría si lográramos alcanzar temperaturas aún más bajas? Podríamos descubrir comportamientos aún más intrigantes y desconocidos en el grafeno bicapa rotado en ángulo mágico. Sería fascinante ver a otros investigadores aplicar esta técnica a diferentes materiales cuánticos y quizás revelar que la geometría cuántica juega un papel fundamental en otras fases exóticas de la materia".

Además del interés fundamental, el trabajo, realizado en el marco del proyecto PhotoTBG, con el apoyo de FLAG-ERA, allana el camino hacia una nueva generación de fotodetectores de terahercios con sensibilidad de polarización incorporada, capaces de decodificar el estado de polarización de la luz incidente.

Referencia:

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

Agradecimientos:

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.