Unraveling the exotic superconductivity in twisted multilayer graphene.

Abstract

[EN]The unprecedented discovery of superconductivity in magic-angle twisted bilayer graphene in 2018 [9] paved the way for the study of moir´e systems with more than two layers, and superconductivity has now been found in many of them. In this work, I review the super conductivity of twisted multilayer graphene structures, in particular twisted bilayer and trilayer graphene (TBG and TTG respectively). Starting with the electronic properties of a single graphene layer at low energy, I move on to the Hamiltonian proposed by R. Bistritzer and A. MacDonald (2011) [3] to describe TBG, which can be generalized to a twisted structure with N layers. Irrespective of N, this model predicts a decrease in the Fermi velocity and a series of angles, called “magic angles”, at which this velocity vanishes, resulting in a pair of flattened low-energy moir´e bands. Once the main theory is settled, I present the evidence confirming these theoretical predictions and study the structures mostly at their largest magic angles, where superconductivity and correlated insulator states have been found when electrostatically doped. The similarity of TBG superconductors to high-temperature superconductors and the possible nature of their superconductivity are explored, and in the case of TTG, I consider the evidence for un conventional superconductivity. Furthermore, the superconductivity observed in twisted tetralayer and pentalayer graphene is briefly studied. I hope that this work can provide an accessible introduction to two-dimensional graphene superconductors and motivate further investigation and discussion.

[ES]El descubrimiento sin precedentes de la superconductividad en el grafeno bicapa rotado de ´angulo m´agico en 2018 [9] allan´o el camino para el estudio de los sistemas moir´e con m´as de dos capas, y ahora se ha encontrado superconductividad en muchos de ellos. En este trabajo, reviso la superconductividad de las estructuras de grafeno multicapa ro tado, en particular del grafeno rotado bicapa y tricapa (TBG y TTG, respectivamente). Comenzando con las propiedades electr´onicas de una sola capa de grafeno a baja energ´ıa, paso al Hamiltoniano propuesto por Bistritzer y MacDonald [3] para describir TBG, el cual puede generalizarse a una estructura rotada con N capas. Independientemente de N, este modelo predice una disminuci´on en la velocidad de Fermi y una serie de ´angulos, llamados “´angulos m´agicos”, en los que esta velocidad desaparece, dando lugar a un par de bandas de moir´e aplanadas y de bajas energ´ıas. Una vez establecida la teor´ıa principal, presento las pruebas que confirman estas predicciones te´oricas y estudio las estructuras es pecialmente en sus ´angulos m´agicos mayores, donde se ha encontrado superconductividad y estados aislantes correlacionados cuando se dopan electrost´aticamente. Se explora la similitud de los superconductores TBG con los superconductores de alta temperatura y la posible naturaleza de su superconductividad, y en el caso de TTG, considero las pruebas de superconductividad no convencional. Adem´as, se estudia brevemente la superconduc tividad observada en grafeno rotado de cuatro y cinco capas. Espero que este trabajo pueda proporcionar una introducci´on accesible a los superconductores bidimensionales de grafeno y motivar nuevas investigaciones y debates.