استقطب سلوك خطوط مور والأحزمة المسطحة في علم الفيزياء الكمومية، والمُسمّى الجرافين ثنائي الطبقة الملتوي "الزاوية السحرية" (TBLG)، اهتمامًا كبيرًا من العلماء، على الرغم من أن العديد من خصائصه لا تزال محل جدل محتدم. في دراسة جديدة نُشرت في مجلة "ساينس بروجرس"، لاحظ إميليو كوليدو وعلماء من قسم الفيزياء وعلوم المواد في الولايات المتحدة واليابان الموصلية الفائقة والتماثل في الجرافين ثنائي الطبقة الملتوي. تبلغ زاوية الالتواء في حالة عازل موت حوالي 0.93 درجة. هذه الزاوية أصغر بنسبة 15% من زاوية "الزاوية السحرية" (1.1 درجة) المحسوبة في الدراسة السابقة. تُظهر هذه الدراسة أن نطاق "الزاوية السحرية" للجرافين ثنائي الطبقة الملتوي أكبر مما كان متوقعًا سابقًا.
تُقدم هذه الدراسة معلومات جديدة غزيرة لفك رموز الظواهر الكمومية القوية في الجرافين ثنائي الطبقة الملتوي، وذلك لتطبيقها في فيزياء الكم. يُعرّف الفيزيائيون "التويسترونيكس" بأنه زاوية الالتواء النسبية بين طبقات فان دير فالس المتجاورة، والتي تُستخدم لإنتاج تموجات وأشرطة مسطحة في الجرافين. وقد أصبح هذا المفهوم أسلوبًا جديدًا وفريدًا لتغيير خصائص الأجهزة وتخصيصها بشكل كبير، استنادًا إلى مواد ثنائية الأبعاد، لتحقيق تدفق التيار. وقد تجلّى التأثير الملحوظ لـ"التويسترونيكس" في العمل الرائد للباحثين، حيث أثبتوا أنه عند تكديس طبقتين من الجرافين أحاديتي الطبقة بزاوية التواء "سحرية" θ=1.1±0.1°، يظهر شريط مسطح للغاية.
في هذه الدراسة، في الجرافين ثنائي الطبقة الملتوي (TBLG)، كانت المرحلة العازلة للشريط الدقيق الأول (السمة الهيكلية) للشبكة الفائقة عند "الزاوية السحرية" شبه ممتلئة. حدد فريق البحث أن هذا عازل موت (عازل ذو خصائص فائقة التوصيل) يُظهر موصلية فائقة عند مستويات تشويب أعلى وأقل قليلاً. يوضح مخطط الطور الموصل الفائق عالي الحرارة بين درجة حرارة انتقال الموصل الفائق (Tc) ودرجة حرارة فيرمي (Tf). أدى هذا البحث إلى اهتمام كبير ونقاش نظري حول بنية نطاق الجرافين وطوبولوجياه وأنظمة أشباه الموصلات الإضافية "الزاوية السحرية". بالمقارنة مع التقرير النظري الأصلي، فإن البحث التجريبي نادر وقد بدأ للتو. في هذه الدراسة، أجرى الفريق قياسات انتقال على الجرافين ثنائي الطبقة الملتوي "بالزاوية السحرية" موضحًا حالات العزل والموصلية الفائقة ذات الصلة.
زاوية مشوهة بشكل غير متوقع تبلغ 0.93 ± 0.01، وهي أصغر بنسبة 15% من "الزاوية السحرية" المُثبتة، وهي أيضًا أصغر زاوية مُبلغ عنها حتى الآن وتُظهر خصائص فائقة التوصيل. تشير هذه النتائج إلى أن حالة الارتباط الجديدة يمكن أن تظهر في الجرافين ثنائي الطبقة الملتوي "الزاوية السحرية"، وهي أقل من "الزاوية السحرية" الأساسية، بعد الشريط المجهري الأول من الجرافين. لبناء أجهزة الجرافين ثنائية الطبقة الملتوية "القرن السحري" هذه، استخدم الفريق نهج "التمزيق والتكديس". يتم تغليف الهيكل بين طبقات نيتريد البورون السداسية (BN)؛ ونمطه في هندسة قضيب هول مع أسلاك متعددة متصلة بجهات اتصال حافة Cr/Au (كروم/ذهب). تم تصنيع جهاز الجرافين ثنائي الطبقة الملتوي "الزاوية السحرية" بالكامل أعلى طبقة الجرافين المستخدمة كبوابة خلفية.
يستخدم العلماء تقنيات قفل التيار المستمر (DC) والتيار المتردد (AC) القياسية لقياس الأجهزة في مُجمدات HE4 وHE3 المُضخَّمة. سجّل الفريق العلاقة بين المقاومة الطولية للجهاز (Rxx) ونطاق جهد البوابة الممتد (VG)، وحساب المجال المغناطيسي B عند درجة حرارة 1.7 كلفن. لُوحظ أن عدم تماثل الإلكترونات والفجوات الصغيرة خاصية متأصلة في جهاز الجرافين ثنائي الطبقة الملتوي "الزاوية السحرية". وكما لوحظ في التقارير السابقة، سجّل الفريق هذه النتائج وفصّل التقارير التي كانت فائقة التوصيل حتى الآن. تُلوي "الزاوية السحرية" المميزة الحد الأدنى لزاوية الالتواء لجهاز الجرافين ثنائي الطبقة. وبالفحص الدقيق لمخطط مروحة لانداو، اكتسب الباحثون بعض الميزات البارزة.
على سبيل المثال، تتوافق الذروة عند نصف الملء والانحطاط المزدوج لمستوى لانداو مع حالات العزل الشبيهة بالعزم التي لوحظت سابقًا. أظهر الفريق انقطاعًا في تماثل وادي الدوران التقريبي SU(4) وتكوين سطح فيرمي شبه جسيم جديد. ومع ذلك، تتطلب التفاصيل فحصًا أكثر تفصيلاً. كما لوحظ ظهور الموصلية الفائقة، مما زاد من Rxx (المقاومة الطولية)، على غرار الدراسات السابقة. ثم فحص الفريق درجة الحرارة الحرجة (Tc) لمرحلة الموصلية الفائقة. ونظرًا لعدم الحصول على بيانات للتطعيم الأمثل للموصلات الفائقة في هذه العينة، افترض العلماء درجة حرارة حرجة تصل إلى 0.5 كلفن. ومع ذلك، تصبح هذه الأجهزة غير فعالة حتى تتمكن من الحصول على بيانات واضحة من حالة الموصلية الفائقة. لمزيد من التحقيق في حالة الموصلية الفائقة، قام الباحثون بقياس خصائص الجهد والتيار (VI) ذات الأربعة أطراف للجهاز عند كثافات ناقلات مختلفة.
تُظهر المقاومة المُحصّلة أن التيار الفائق يُلاحظ على نطاق كثافة أكبر، كما تُظهر تثبيط التيار الفائق عند تطبيق مجال مغناطيسي متوازي. وللحصول على فهم أعمق للسلوك المُلاحظ في الدراسة، قام الباحثون بحساب بنية نطاق موير لجهاز الجرافين ثنائي الطبقة الملتوي "الزاوية السحرية" باستخدام نموذج بيستريتزر-ماكدونالد وتحسين المعلمات. وبالمقارنة مع الحساب السابق لزاوية "الزاوية السحرية"، فإن نطاق موير منخفض الطاقة المحسوب ليس معزولًا عن نطاق الطاقة العالية. وعلى الرغم من أن زاوية الالتواء للجهاز أصغر من زاوية "الزاوية السحرية" المحسوبة في مكان آخر، إلا أن الجهاز يتميز بظاهرة وثيقة الصلة بالدراسات السابقة (عزل مورت والموصلية الفائقة)، والتي وجدها الفيزيائيون غير متوقعة وممكنة.
بعد إجراء تقييم أعمق للسلوك عند الكثافات الكبيرة (عدد الحالات المتاحة لكل طاقة)، تُعزى الخصائص التي لاحظها العلماء إلى حالات العزل المرتبطة الناشئة حديثًا. في المستقبل، سيتم إجراء دراسة أكثر تفصيلاً لكثافة الحالات (DOS) لفهم الحالة الفردية للعزل وتحديد ما إذا كان يمكن تصنيفها على أنها سوائل دورانية كمية. بهذه الطريقة، لاحظ العلماء الموصلية الفائقة بالقرب من حالة العزل الشبيهة بالموكس في جهاز جرافين ثنائي الطبقة ملتوي بزاوية التواء صغيرة (0.93 درجة). تُظهر هذه الدراسة أنه حتى في مثل هذه الزوايا الصغيرة والكثافات العالية، يكون تأثير ارتباط الإلكترونات على خصائص مواريه هو نفسه. في المستقبل، ستتم دراسة وديان الدوران للطور العازل، وستتم دراسة طور فائق التوصيل جديد عند درجة حرارة أقل. سيتم الجمع بين البحث التجريبي والجهود النظرية لفهم أصل هذا السلوك.
وقت النشر: ٨ أكتوبر ٢٠١٩