Das Verhalten von Mohr-Streifen und Flachbändern in der Quantenphysik und als „Magic Angle“-Twisted-Bilayer-Graphen (TBLG) bezeichnet, hat bei Wissenschaftlern großes Interesse geweckt, obwohl viele seiner Eigenschaften hitzig diskutiert werden. In einer neuen Studie, die im Fachmagazin Science Progress veröffentlicht wurde, beobachteten Emilio Colledo und Wissenschaftler der Fakultät für Physik und Materialwissenschaften in den USA und Japan Supraleitung und Analogie in Twisted-Bilayer-Graphen. Der Mott-Isolatorzustand weist einen Twistwinkel von etwa 0,93 Grad auf. Dieser Winkel ist 15 % kleiner als der „Magic Angle“-Winkel (1,1°), der in einer vorangegangenen Studie berechnet wurde. Die Studie zeigt, dass der Bereich des „Magic Angle“ von Twisted-Bilayer-Graphen größer ist als bisher erwartet.
Diese Studie liefert eine Fülle neuer Informationen zur Entschlüsselung der starken Quantenphänomene in verdrilltem zweilagigem Graphen für Anwendungen in der Quantenphysik. Physiker definieren „Twistronics“ als den relativen Verdrillungswinkel zwischen benachbarten Van-der-Waals-Schichten, der zur Erzeugung von Moiré und flachen Bändern in Graphen führt. Dieses Konzept stellt eine neue und einzigartige Methode dar, um die Eigenschaften von Bauteilen auf Basis zweidimensionaler Materialien signifikant zu verändern und anzupassen, um einen Stromfluss zu erreichen. Der bemerkenswerte Effekt der „Twistronics“ wurde in der Pionierarbeit der Forscher veranschaulicht, die zeigten, dass beim Stapeln zweier einlagiger Graphenschichten mit einem „magischen Winkel“ von θ=1,1±0,1° ein sehr flaches Band entsteht.
In dieser Studie war im verdrillten zweilagigen Graphen (TBLG) die isolierende Phase des ersten Mikrostreifens (strukturelles Merkmal) des Übergitters am „magischen Winkel“ halbgefüllt. Das Forschungsteam stellte fest, dass dies ein Mott-Isolator (ein Isolator mit supraleitenden Eigenschaften) ist, der bei leicht höheren und niedrigeren Dotierungsstufen Supraleitung aufweist. Das Phasendiagramm zeigt den Hochtemperatur-Supraleiter zwischen der supraleitenden Übergangstemperatur (Tc) und der Fermi-Temperatur (Tf). Diese Forschung weckte großes Interesse und löste theoretische Debatten über die Bandstruktur und Topologie von Graphen und weitere Halbleitersysteme mit dem „magischen Winkel“ aus. Verglichen mit dem ursprünglichen theoretischen Bericht gibt es kaum experimentelle Forschungen, und diese stehen noch ganz am Anfang. In dieser Studie führte das Team Transmissionsmessungen am verdrillten zweilagigen Graphen mit dem „magischen Winkel“ durch, die die relevanten isolierenden und supraleitenden Zustände zeigten.
Ein unerwartet verzerrter Winkel von 0,93 ± 0,01, der 15 % kleiner ist als der etablierte „magische Winkel“, ist zugleich der kleinste bisher gemeldete Winkel und weist supraleitende Eigenschaften auf. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der neue Korrelationszustand im „magischen Winkel“-Gerät aus verdrehtem zweilagigem Graphen, niedriger als der primäre „magische Winkel“, jenseits des ersten Graphen-Mikrostreifens auftreten kann. Um diese „magischen Hörner“ aus verdrehtem zweilagigem Graphen-Gerät zu bauen, verwendete das Team einen „Tear and Stack“-Ansatz. Die Struktur zwischen den hexagonalen Bornitridschichten (BN) ist gekapselt; in die Geometrie eines Hall-Stabs mit mehreren Drähten strukturiert, die mit Cr/Au (Chrom/Gold)-Randkontakten gekoppelt sind. Das gesamte „magische Winkel“-Gerät aus verdrehtem zweilagigem Graphen wurde auf der Graphenschicht hergestellt, die als Backgate verwendet wird.
Wissenschaftler verwenden Standard-Gleichstrom- (DC) und Wechselstrom- (AC) Verriegelungstechniken, um Geräte in gepumpten HE4- und HE3-Kryostaten zu messen. Das Team zeichnete die Beziehung zwischen dem Längswiderstand (Rxx) des Geräts und dem erweiterten Gate-Spannungsbereich (VG) auf und berechnete das Magnetfeld B bei einer Temperatur von 1,7 K. Es wurde beobachtet, dass eine geringe Elektron-Loch-Asymmetrie eine inhärente Eigenschaft des „Magic Angle“-Geräts aus verdrehtem zweilagigem Graphen ist. Wie in früheren Berichten beobachtet, zeichnete das Team diese Ergebnisse auf und detailliert die Berichte, die bisher supraleitend waren. Der charakteristische „Magic Angle“ verdreht den minimalen Torsionswinkel des zweilagigen Graphengeräts. Bei einer genaueren Untersuchung des Landau-Fächerdiagramms entdeckten die Forscher einige bemerkenswerte Merkmale.
So stimmen beispielsweise der Peak bei halber Füllung und die zweifache Entartung des Landau-Niveaus mit den zuvor beobachteten Moment-ähnlichen Isolationszuständen überein. Das Team zeigte einen Bruch in der Symmetrie des ungefähren Spintals SU(4) und die Bildung einer neuen Quasiteilchen-Fermi-Fläche. Die Details erfordern jedoch eine genauere Untersuchung. Auch das Auftreten von Supraleitung wurde beobachtet, wodurch Rxx (Längswiderstand) ähnlich wie in früheren Studien anstieg. Anschließend untersuchte das Team die kritische Temperatur (Tc) der supraleitenden Phase. Da keine Daten zur optimalen Dotierung von Supraleitern in dieser Probe erhalten wurden, nahmen die Wissenschaftler eine kritische Temperatur von bis zu 0,5 K an. Diese Geräte werden jedoch unwirksam, bis sie klare Daten aus dem supraleitenden Zustand erhalten können. Um den supraleitenden Zustand weiter zu untersuchen, maßen die Forscher die Vierpol-Spannungs-Strom-Eigenschaften (VI) des Geräts bei verschiedenen Trägerdichten.
Der erhaltene Widerstand zeigt, dass Suprastrom über einen größeren Dichtebereich beobachtet wird und die Unterdrückung von Suprastrom bei Anwendung eines parallelen Magnetfelds. Um Einblick in das in der Studie beobachtete Verhalten zu erhalten, berechneten die Forscher die Moiré-Bandstruktur des „Magic Angle“-Geräts aus verdrilltem, zweilagigem Graphen mithilfe des Bistritzer-MacDonald-Modells und verbesserter Parameter. Im Vergleich zur vorherigen Berechnung des „Magic Angle“-Winkels ist das berechnete niederenergetische Moiré-Band nicht vom hochenergetischen Band isoliert. Obwohl der Verdrillungswinkel des Geräts kleiner ist als der anderswo berechnete „Magic Angle“-Winkel, weist das Gerät ein Phänomen auf, das stark mit früheren Studien (Mort-Isolation und Supraleitung) zusammenhängt und das die Physiker als unerwartet und möglich herausfanden.
Nach weiterer Auswertung des Verhaltens bei hohen Dichten (Anzahl der bei jeder Energie verfügbaren Zustände) werden die von den Wissenschaftlern beobachteten Eigenschaften den neu auftretenden zugehörigen Isolationszuständen zugeschrieben. Künftig soll eine detailliertere Untersuchung der Zustandsdichte (DOS) durchgeführt werden, um die ungewöhnlichen Isolationszustände zu verstehen und festzustellen, ob sie als Quantenspinflüssigkeiten klassifiziert werden können. Auf diese Weise beobachteten Wissenschaftler Supraleitung in der Nähe des Mox-ähnlichen Isolationszustands in einem verdrillten zweilagigen Graphengerät mit kleinem Verdrillungswinkel (0,93°). Diese Untersuchung zeigt, dass selbst bei so kleinen Winkeln und hohen Dichten die Wirkung der Elektronenkorrelation auf die Eigenschaften von Moiré die gleiche ist. Künftig sollen die Spintäler der Isolationsphase untersucht werden und bei niedrigerer Temperatur eine neue supraleitende Phase untersucht werden. Um den Ursprung dieses Verhaltens zu verstehen, wird experimentelle Forschung mit theoretischen Bemühungen kombiniert.
Beitragszeit: 08.10.2019