[en] In 2018, following a theoretical prediction from 2011, it was found that stacking two layers of graphene with a relative twist angle of 1.1° between them leads to multiple new properties. At this so-called magic angle, the electronic band structure of the material reconstructs, creating a narrow flat band at the Fermi level. The formation of a flat band enhances electron-electron interactions, resulting in the emergence of states of matter not present in the original graphene layers, including correlated insulators, superconductivity, ferromagnetism and non-trivial topological states. The understanding of the origin of these correlated states could help unravel the physics of highly correlated flat band systems which could potentially provide key technological developments. The main objective of this thesis is to study magic-angle twisted bilayer graphene (MATBG) by creating monolithic gate-defined Josephson junctions. By exploiting the rich phase space of the material, we can create a Josephson junction by independently tuning the superconductor and the weak link state. Studying the Josephson effect is a first step towards understanding fundamental properties of a superconductor, such as its order parameter. First, we have optimized the fabrication of these gate-defined junctions made of all van der Waals materials. We have made double-graphite-gated hBN encapsulated MATBG devices where the top gate is split into two parts via nanolithography techniques. This configuration allows to independently control the three regions of the Josephson junction (superconductor, weak-link and superconductor). Then, we have studied the gate-defined Josephson junctions via low-temperature transport measurements. After demonstrating the Josephson effect in the fabricated devices, we focus on the behavior of one of these junctions in great detail. In particular, we have observed an unconventional behavior when the weak link of the junction is set close to the correlated insulator at half-filling of the hole-side flatband. We have observed a phase shifted Fraunhofer pattern with a pronounced magnetic hysteresis, characteristic of magnetic Josephson junctions. To understand the origin of the signals, we have performed a critical current distribution Fourier analysis as well as a tight binding calculation of a MATBG Josephson junction. Our theoretical calculations with a valley polarized state as the weak link can explain the key signatures observed in the experiment. Lastly, the combination of magnetization and its current-induced magnetization switching has allowed us to realize a programmable zero-field superconducting diode. Finally, we have shown the flexibility of these devices by studying a MATBG p-n junction under light illumination. We have studied the relaxation dynamics of hot electrons using time and frequency-resolved photovoltage measurements. The measurements have revealed an ultrafast cooling in MATBG compared to Bernal-bilayer from room temperature down to 5 K. The enhanced cooling in MATBG can be explained by the presence of the moiré pattern and corresponding mini-Brillouin zone. In summary, we have demonstrated that by integrating various MATBG states within a single device, we can gain a deeper insight into the system's properties and can engineer innovative, complex hybrid structures, such as magnetic Josephson junctions and superconducting diodes.

[es] En 2018, siguiendo una predicción teórica de 2011, se descubrió que apilar dos capas de grafeno con un ángulo relativo de 1.1°entre ellas, conduce a múltiples propiedades nuevas. A este denominado ángulo mágico, la estructura de bandas electrónicas del material se reconstruye, creando una estrecha banda plana en el nivel de Fermi. La formación de una banda plana potencia las interacciones electrónicas, dando lugar a la emergencia de estados de la materia no presentes en las capas originales de grafeno, incluyendo aislantes correlacionados, superconductividad, ferromagnetismo y estados topológicos no triviales. La comprensión del origen de estos estados correlacionados podría ayudar a desentrañar la física de sistemas con bandas planas altamente correlacionadas, lo que podría proporcionar importantes desarrollos tecnológicos. El principal objetivo de esta tesis es estudiar el grafeno rotado de ángulo mágico (MATBG, por sus siglas en inglés) mediante la creación de uniones de Josephson monolíticas definidas por puertas eléctricas. Al aprovechar el rico espacio de fase del material, podemos crear una unión de Josephson ajustando de manera independiente el superconductor y el estado de la conexión débil. Estudiar el efecto Josephson es un primer paso hacia la comprensión de propiedades fundamentales de un superconductor, como su parámetro de orden. En primer lugar, hemos optimizado la fabricación de estas uniones definidas por puertas creadas con materiales de van der Waals. Hemos creado dispositivos de MATBG encapsulados en nitruro de boro hexagonal (hBN) con doble puerta de grafito, donde la puerta superior se divide en dos partes mediante técnicas de nanolitografía. De esta manera, se pueden controlar de manera independiente las tres regiones de la unión de Josephson (superconductor, conexión débil y superconductor). Posteriormente, hemos estudiado las uniones de Josephson definidas por puertas mediante técnicas de transporte a baja temperatura. Tras demostrar el efecto Josephson en los dispositivos fabricados, nos enfocamos en gran detalle en el comportamiento de una de estas uniones. Hemos observado un comportamiento no convencional cuando la conexión débil de la unión se coloca cerca del aislante correlacionado a medio llenado de la banda plana de huecos. Hemos observado un patrón de Fraunhofer con un desplazamiento de fase y una pronunciada histéresis magnética, característica de las uniones de Josephson magnéticas. Para entender el origen de las señales, hemos realizado un análisis de Fourier de la distribución de corriente crítica, así como un cálculo de enlace fuerte de una unión de Josephson en MATBG. Nuestros cálculos teóricos teniendo un estado polarizado en un valle como la conexión débil, pueden explicar las principales características observadas en el experimento. Por último, la combinación de la magnetización y su cambio de magnetización inducida por corriente, nos ha permitido realizar un diodo superconductor programable a cero campo magnético. Finalmente, hemos demostrado la flexibilidad de estos dispositivos al estudiar una unión p-n de MATBG bajo iluminación. Hemos estudiado la dinámica de relajación de electrones calientes mediante mediciones de fotovoltaje en tiempo y frecuencia. Las medidas han revelado un enfriamiento ultrarrápido en MATBG en comparación con el grafeno bicapa de tipo Bernal a bajas temperaturas. Este rápido enfriamiento en el MATBG se puede explicar por la presencia del patrón de moiré y la consecuente mini zona de Brillouin. En resumen, hemos demostrado que al integrar varios estados de MATBG dentro de un solo dispositivo, podemos obtener una comprensión más profunda de las propiedades del sistema y podemos diseñar estructuras híbridas innovadoras y complejas, como uniones de Josephson magnéticas y diodos superconductores.