Ponašanje Mohrovih pruga i ravnih pojaseva u nauci i kvantnoj fizici, nazvanih "Magični ugao" uvijenog dvoslojnog grafena (TBLG), privuklo je veliko interesovanje naučnika, iako se mnoga svojstva suočavaju s žustrom debatom. U novoj studiji objavljenoj u časopisu Science Progress, Emilio Colledo i naučnici sa Odsjeka za fiziku i nauku o materijalima u Sjedinjenim Državama i Japanu primijetili su superprovodljivost i analogiju u uvijenom dvoslojnom grafenu. Mottovo izolatorsko stanje ima ugao uvijanja od oko 0,93 stepena. Ovaj ugao je 15% manji od ugla "magičnog ugla" (1,1°) izračunatog u prethodnoj studiji. Ova studija pokazuje da je raspon "magičnog ugla" uvijenog dvoslojnog grafena veći nego što se ranije očekivalo.
Ova studija pruža obilje novih informacija za dešifriranje jakih kvantnih fenomena u uvijenom dvoslojnom grafenu za primjenu u kvantnoj fizici. Fizičari definiraju "Twistroniku" kao relativni ugao uvijanja između susjednih van der Waalsovih slojeva kako bi se proizvele moiré i ravne trake u grafenu. Ovaj koncept postao je nova i jedinstvena metoda za značajno mijenjanje i prilagođavanje svojstava uređaja zasnovanih na dvodimenzionalnim materijalima kako bi se postigao protok struje. Izvanredan efekat "Twistronike" ilustrovan je u pionirskom radu istraživača, pokazujući da kada se dva jednoslojna sloja grafena naslažu pod "magičnim uglom" uvijanja od θ=1,1±0,1°, pojavljuje se vrlo ravna traka.
U ovoj studiji, kod uvijenog dvoslojnog grafena (TBLG), izolacijska faza prve mikrostripne trake (strukturne karakteristike) superrešetke pod "magičnim uglom" bila je polupopunjena. Istraživački tim je utvrdio da se radi o Mottovom izolatoru (izolatoru sa supravodljivim svojstvima) koji pokazuje supravodljivost na nešto višim i nižim nivoima dopiranja. Fazni dijagram prikazuje visokotemperaturni supravodnik između temperature supravodljivog prijelaza (Tc) i Fermijeve temperature (Tf). Ovo istraživanje dovelo je do velikog interesa i teorijske debate o strukturi grafenskih vrpci, topologiji i dodatnim poluprovodničkim sistemima "magičnog ugla". U poređenju s originalnim teorijskim izvještajem, eksperimentalna istraživanja su rijetka i tek su započela. U ovoj studiji, tim je proveo mjerenja transmisije na uvijenom dvoslojnom grafenu pod "magičnim uglom", pokazujući relevantna izolacijska i supravodljiva stanja.
Neočekivano iskrivljeni ugao od 0,93 ± 0,01, koji je 15% manji od utvrđenog "Magičnog ugla", ujedno je i najmanji do sada zabilježeni ugao i pokazuje supravodljiva svojstva. Ovi rezultati ukazuju na to da se novo korelacijsko stanje može pojaviti u uvijenom dvoslojnom grafenu "Magični ugao", niže od primarnog "magičnog ugla", iza prve mikrostrip grafena. Da bi izgradili ove uređaje od uvijenog dvoslojnog grafena "magični rog", tim je koristio pristup "kidanja i slaganja". Struktura između heksagonalnih slojeva bor nitrida (BN) je enkapsulirana; oblikovana u geometriju Hall štapa s više žica spojenih na rubne kontakte Cr/Au (krom/zlato). Cijeli uređaj od uvijenog dvoslojnog grafena "Magični ugao" izrađen je preko sloja grafena koji se koristi kao zadnja kapija.
Naučnici koriste standardne tehnike zaključavanja jednosmjerne (DC) i naizmjenične (AC) struje za mjerenje uređaja u pumpanim kriostatima HE4 i HE3. Tim je zabilježio odnos između longitudinalnog otpora uređaja (Rxx) i proširenog raspona napona gejta (VG) te izračunao magnetsko polje B na temperaturi od 1,7 K. Uočena je mala asimetrija elektrona i rupe kao inherentno svojstvo uređaja s uvijenim dvoslojnim grafenom "Magični ugao". Kao što je uočeno u prethodnim izvještajima, tim je zabilježio ove rezultate i detaljno opisao izvještaje koji su do sada bili supravodljivi. Karakteristični "Magični ugao" uvija minimalni ugao torzije dvoslojnog grafenskog uređaja. Detaljnijim ispitivanjem Landauovog lepezastog dijagrama, istraživači su uočili neke značajne karakteristike.
Na primjer, vrh pri polovičnom ispunjenju i dvostruka degeneracija Landauovog nivoa su u skladu sa prethodno uočenim izolacijskim stanjima sličnim momentu. Tim je pokazao prekid simetrije približne spin doline SU(4) i formiranje nove kvazičestične Fermijeve površine. Međutim, detalji zahtijevaju detaljniji pregled. Također je uočena pojava supravodljivosti, što je povećalo Rxx (longitudinalni otpor), slično prethodnim studijama. Tim je zatim ispitao kritičnu temperaturu (Tc) supravodljive faze. Budući da nisu dobijeni podaci za optimalno dopiranje supravodiča u ovom uzorku, naučnici su pretpostavili kritičnu temperaturu do 0,5K. Međutim, ovi uređaji postaju neefikasni sve dok ne budu u mogućnosti da dobiju jasne podatke iz supravodljivog stanja. Da bi dalje istražili supravodljivo stanje, istraživači su izmjerili karakteristike napona i struje (VI) na četiri terminala uređaja pri različitim gustinama nosioca.
Dobijeni otpor pokazuje da se superstruja opaža u većem rasponu gustoće i pokazuje supresiju superstruje kada se primijeni paralelno magnetsko polje. Kako bi stekli uvid u ponašanje opaženo u studiji, istraživači su izračunali strukturu Moirove vrpce uređaja s uvijenim dvoslojnim grafenom "Magični ugao" koristeći Bistritzer-MacDonald model i poboljšane parametre. U poređenju s prethodnim proračunom ugla "Magični ugao", izračunata Moirova vrpca niske energije nije izolirana od vrpce visoke energije. Iako je ugao uvijanja uređaja manji od ugla "magični ugao" izračunatog negdje drugdje, uređaj ima fenomen koji je snažno povezan s prethodnim studijama (Mortova izolacija i superprovodljivost), za koji su fizičari utvrdili da je neočekivan i izvodljiv.
Nakon daljnje evaluacije ponašanja pri velikim gustoćama (broj dostupnih stanja na svakoj energiji), karakteristike koje su naučnici uočili pripisuju se novonastalim povezanim izolacijskim stanjima. U budućnosti će se provesti detaljnija studija gustoće stanja (DOS) kako bi se razumjelo neparno stanje izolacije i utvrdilo da li se ona mogu klasificirati kao kvantne spinske tekućine. Na taj način, naučnici su uočili superprovodljivost blizu Mox-sličnog izolacijskog stanja u uvijenom dvoslojnom grafenskom uređaju s malim uglom uvijanja (0,93°). Ova studija pokazuje da je čak i pri tako malim uglovima i visokim gustoćama, utjecaj korelacije elektrona na svojstva moiré efekta isti. U budućnosti će se proučavati spinske doline izolacijske faze, a nova superprovodljiva faza će se proučavati na nižoj temperaturi. Eksperimentalna istraživanja će se kombinirati s teorijskim naporima kako bi se razumjelo porijeklo ovog ponašanja.
Vrijeme objave: 08.10.2019.