Superconductividad y inclinación de espín en grafeno de tres capas acoplado a órbita de espín

Área de la Ciencia:

• Física de la materia condensada
• Ciencias de los materiales
• Los materiales cuánticos

Sus antecedentes:

• Los sistemas de banda plana de grafeno y dichalcogenuro de metales de transición exhiben diagramas de fase complejos con propiedades magnéticas y superconductoras.
• La interacción entre el ordenamiento magnético y la superconductividad en estos sistemas, en particular el mecanismo de mejora, sigue siendo una cuestión abierta.
• Estudios previos sobre el grafeno de doble capa de Bernal sugirieron que el acoplamiento de órbita de espín mejora la superconductividad, pero el mecanismo subyacente no estaba claro.

Objetivo del estudio:

• Investigar el efecto del acoplamiento de espín-órbita en la superconductividad en el grafeno romboédrico de tres capas (RTG).
• Aclarar el mecanismo por el cual el acoplamiento de espín-órbita influye en las propiedades superconductoras y las temperaturas críticas en RTG.
• Para explorar la relación entre el ordenamiento magnético, el acoplamiento de espín y la superconductividad en este sistema de materiales.

Principales métodos:

• Fabricación de grafeno romboédrico de tres capas (RTG) que utiliza el efecto de proximidad del sustrato para introducir el acoplamiento de espín-órbita.
• Mediciones de transporte eléctrico para identificar y caracterizar las bolsas superconductoras y las temperaturas críticas (T_c).
• Magnetometría local para sondear el estado magnético y su transición en relación con la superconductividad.
• Cálculos de Hartree-Fock para modelar las interacciones electrónicas y las transiciones de fase.

Principales resultados:

• La introducción del acoplamiento de espín-órbita en RTG a través de la proximidad del sustrato generó nuevos bolsillos superconductores para el dopaje de electrones y agujeros.
• La temperatura crítica máxima (T_c) alcanzó aproximadamente 300 mK, un aumento de tres veces en comparación con el RTG encapsulado por nitruro de boro hexagonal.
• Se observó que la superconductividad se extiende a lo largo de una transición entre un estado magnético de spin-cantado y un estado de spin-valley bloqueado.
• Los cálculos de Hartree-Fock reproducen esta transición, atribuyéndola a la competencia entre el acoplamiento de la órbita de espín y la interacción de Hund.

Conclusiones:

• El acoplamiento de espín-órbita mejora significativamente la superconductividad en el grafeno romboédrico de tres capas, lo que lleva a temperaturas críticas más altas.
• La mejora parece ser impulsada por un cambio cuantitativo en el parámetro de orden de giro inclinado, en lugar de un cambio en la simetría general del estado fundamental.
• Estos hallazgos apoyan un mecanismo en el que las fluctuaciones en el orden de giro contribuyen a la interacción de emparejamiento superconductor.