Chování Mohrových proužků a plochých pásů ve vědě a kvantové fyzice, nazývaných „magický úhel“ zkrouceného dvouvrstvého grafenu (TBLG), přitahuje velký zájem vědců, ačkoli mnoho vlastností čelí vášnivé debatě. V nové studii publikované v časopise Science Progress Emilio Colledo a vědci z katedry fyziky a materiálových věd ve Spojených státech a Japonsku pozorovali supravodivost a analogii ve zkrouceném dvouvrstvém grafenu. Stav Mottova izolantu má úhel zkroucení přibližně 0,93 stupně. Tento úhel je o 15 % menší než úhel „magického úhlu“ (1,1°) vypočítaný v předchozí studii. Tato studie ukazuje, že rozsah „magického úhlu“ zkrouceného dvouvrstvého grafenu je větší, než se dříve očekávalo.
Tato studie poskytuje množství nových informací pro dešifrování silných kvantových jevů v zkrouceném dvojvrstvém grafenu pro aplikace v kvantové fyzice. Fyzici definují „Twistroniku“ jako relativní úhel zkroucení mezi sousedními van der Waalsovými vrstvami, což vede k moaré a plochým pásům v grafenu. Tento koncept se stal novou a unikátní metodou pro významnou změnu a přizpůsobení vlastností zařízení založených na dvourozměrných materiálech za účelem dosažení toku proudu. Pozoruhodný efekt „Twistroniky“ byl ilustrován v průkopnické práci výzkumníků, kteří prokázali, že když jsou dvě jednovrstvé grafenové vrstvy naskládány pod „magickým úhlem“ zkroucení θ=1,1±0,1°, objeví se velmi plochý pás.
V této studii byla v zkrouceném dvojvrstvém grafenu (TBLG) izolační fáze prvního mikropásku (strukturálního prvku) supermřížky v „magickém úhlu“ částečně zaplněna. Výzkumný tým zjistil, že se jedná o Mottův izolant (izolant se supravodivými vlastnostmi), který vykazuje supravodivost při mírně vyšších a nižších úrovních dopování. Fázový diagram ukazuje vysokoteplotní supravodič mezi teplotou supravodivého přechodu (Tc) a Fermiho teplotou (Tf). Tento výzkum vedl k velkému zájmu a teoretické debatě o pásové struktuře grafenu, topologii a dalších polovodičových systémech „magického úhlu“. Ve srovnání s původní teoretickou zprávou je experimentální výzkum vzácný a teprve začal. V této studii tým provedl měření propustnosti na zkrouceném dvojvrstvém grafenu v „magickém úhlu“, která ukázala relevantní izolační a supravodivé stavy.
Neočekávaně zkreslený úhel 0,93 ± 0,01, který je o 15 % menší než zavedený „magický úhel“, je také nejmenším dosud zaznamenaným úhlem a vykazuje supravodivé vlastnosti. Tyto výsledky naznačují, že nový korelační stav se může objevit v zkrouceném dvouvrstvém grafenu „Magický úhel“, níže než primární „magický úhel“, za prvním mikroproužkem grafenu. Pro výrobu těchto zkroucených dvouvrstvých grafenových zařízení „magický roh“ použil tým metodu „odtrhni a vrstvi“. Struktura mezi hexagonálními vrstvami nitridu boru (BN) je zapouzdřena; vzorována do geometrie Hallovy tyče s více dráty připojenými k okrajovým kontaktům Cr/Au (chrom/zlato). Celé zkroucené dvouvrstvé grafenové zařízení „Magický úhel“ bylo vyrobeno na grafenové vrstvě použité jako zadní brána.
Vědci používají standardní techniky blokování stejnosměrného (DC) a střídavého (AC) proudu k měření zařízení v čerpaných kryostatech HE4 a HE3. Tým zaznamenal vztah mezi podélným odporem zařízení (Rxx) a rozšířeným rozsahem hradlového napětí (VG) a vypočítal magnetické pole B při teplotě 1,7 K. Byla pozorována malá asymetrie elektronů a děr, která je inherentní vlastností zařízení s krouceným dvouvrstvým grafenem „Magický úhel“. Jak bylo pozorováno v předchozích zprávách, tým zaznamenal tyto výsledky a podrobně popsal zprávy, které se dosud zabývaly supravodivostí. Charakteristický „Magický úhel“ kroutí minimální torzní úhel zařízení s dvouvrstvým grafenem. Při bližším zkoumání Landauova vějířového diagramu vědci zjistili některé pozoruhodné rysy.
Například vrchol při polovičním naplnění a dvojnásobná degenerace Landauovy hladiny jsou v souladu s dříve pozorovanými izolačními stavy podobnými momentům. Tým prokázal narušení symetrie přibližného spinového údolí SU(4) a vznik nového kvazičásticového Fermiho povrchu. Detaily však vyžadují podrobnější zkoumání. Byl také pozorován výskyt supravodivosti, který zvýšil Rxx (podélný odpor), podobně jako v předchozích studiích. Tým poté zkoumal kritickou teplotu (Tc) supravodivé fáze. Vzhledem k tomu, že v tomto vzorku nebyly získány žádné údaje o optimálním dopování supravodičů, vědci předpokládali kritickou teplotu až 0,5 K. Tato zařízení se však stávají neúčinnými, dokud nejsou schopna získat jasná data ze supravodivého stavu. Pro další zkoumání supravodivého stavu vědci změřili čtyřterminální napěťově-proudové (VI) charakteristiky zařízení při různých hustotách nosičů náboje.
Získaný odpor ukazuje, že superproud je pozorován ve větším rozsahu hustoty a ukazuje potlačení superproudu při aplikaci paralelního magnetického pole. Aby vědci získali vhled do chování pozorovaného ve studii, vypočítali strukturu Moirova pásu zkrouceného dvouvrstvého grafenu „Magický úhel“ pomocí modelu Bistritzer-MacDonald a vylepšených parametrů. Ve srovnání s předchozím výpočtem úhlu „Magického úhlu“ není vypočítaný nízkoenergetický Moirův pás izolován od vysokoenergetického pásu. Přestože je úhel zkroucení zařízení menší než úhel „magického úhlu“ vypočítaný jinde, zařízení vykazuje jev, který silně souvisí s předchozími studiemi (Mortova izolace a supravodivost), což fyzici shledali neočekávaným a proveditelným.
Po dalším vyhodnocení chování při vysokých hustotách (počet stavů dostupných pro každou energii) byly charakteristiky pozorované vědci připsány nově vznikajícím asociovaným izolačním stavům. V budoucnu bude provedena podrobnější studie hustoty stavů (DOS), aby se pochopil lichý izolační stav a určilo se, zda je lze klasifikovat jako kvantové spinové kapaliny. Vědci tak pozorovali supravodivost poblíž Moxova izolačního stavu v krouceném dvojvrstvém grafenovém zařízení s malým úhlem zkroucení (0,93°). Tato studie ukazuje, že i při tak malých úhlech a vysokých hustotách je vliv elektronové korelace na vlastnosti moaré stejný. V budoucnu budou studována spinová údolí izolační fáze a nová supravodivá fáze bude studována při nižší teplotě. Experimentální výzkum bude kombinován s teoretickým úsilím o pochopení původu tohoto chování.
Čas zveřejnění: 8. října 2019