Η συμπεριφορά των λωρίδων Mohr και των επίπεδων ιμάντων στην επιστήμη και την κβαντική φυσική που ονομάζεται στριμμένο διπλοστιβαδικό γραφένιο (TBLG) «Μαγικής Γωνίας» έχει προσελκύσει μεγάλο ενδιαφέρον από τους επιστήμονες, αν και πολλές ιδιότητες αντιμετωπίζουν έντονη συζήτηση. Σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Science Progress, ο Emilio Colledo και επιστήμονες στο Τμήμα Φυσικής και Επιστήμης Υλικών στις Ηνωμένες Πολιτείες και την Ιαπωνία παρατήρησαν υπεραγωγιμότητα και αναλογία στο στριμμένο διπλοστιβαδικό γραφένιο. Η κατάσταση μονωτή Mott έχει γωνία στρέψης περίπου 0,93 μοιρών. Αυτή η γωνία είναι 15% μικρότερη από τη γωνία «μαγικής γωνίας» (1,1°) που υπολογίστηκε στην προηγούμενη μελέτη. Αυτή η μελέτη δείχνει ότι το εύρος της «μαγικής γωνίας» του στριμμένου διπλοστιβαδικού γραφενίου είναι μεγαλύτερο από το αναμενόμενο προηγουμένως.
Αυτή η μελέτη παρέχει έναν πλούτο νέων πληροφοριών για την αποκρυπτογράφηση των ισχυρών κβαντικών φαινομένων στο στριμμένο διπλοστοιβαδικό γραφένιο για εφαρμογές στην κβαντική φυσική. Οι φυσικοί ορίζουν το «Twistronics» ως τη σχετική γωνία στρέψης μεταξύ γειτονικών στρωμάτων van der Waals για την παραγωγή moiré και επίπεδων ζωνών στο γραφένιο. Αυτή η έννοια έχει γίνει μια νέα και μοναδική μέθοδος για τη σημαντική αλλαγή και προσαρμογή των ιδιοτήτων των συσκευών που βασίζονται σε δισδιάστατα υλικά για την επίτευξη ροής ρεύματος. Το αξιοσημείωτο αποτέλεσμα του «Twistronics» αποδείχθηκε στο πρωτοποριακό έργο των ερευνητών, αποδεικνύοντας ότι όταν δύο μονοστρωματικά στρώματα γραφενίου στοιβάζονται σε μια «μαγική γωνία» θ=1,1±0,1°, εμφανίζεται μια πολύ επίπεδη ζώνη.
Σε αυτή τη μελέτη, στο στριμμένο διπλοστιβαδικό γραφένιο (TBLG), η μονωτική φάση της πρώτης μικρολωρίδας (δομικό χαρακτηριστικό) του υπερπλέγματος στη «μαγική γωνία» ήταν ημιγεμισμένη. Η ερευνητική ομάδα διαπίστωσε ότι πρόκειται για μονωτή Mott (μονωτή με υπεραγώγιμες ιδιότητες) που παρουσιάζει υπεραγωγιμότητα σε ελαφρώς υψηλότερα και χαμηλότερα επίπεδα πρόσμιξης. Το διάγραμμα φάσεων δείχνει τον υπεραγωγό υψηλής θερμοκρασίας μεταξύ της θερμοκρασίας μετάβασης υπεραγώγιμης (Tc) και της θερμοκρασίας Fermi (Tf). Αυτή η έρευνα οδήγησε σε μεγάλο ενδιαφέρον και θεωρητική συζήτηση σχετικά με τη δομή της ζώνης γραφενίου, την τοπολογία και πρόσθετα συστήματα ημιαγωγών «Μαγικής Γωνίας». Σε σύγκριση με την αρχική θεωρητική αναφορά, η πειραματική έρευνα είναι σπάνια και μόλις ξεκίνησε. Σε αυτή τη μελέτη, η ομάδα διεξήγαγε μετρήσεις μετάδοσης στο στριμμένο διπλοστιβαδικό γραφένιο «μαγικής γωνίας» που δείχνει τις σχετικές μονωτικές και υπεραγώγιμες καταστάσεις.
Μια απροσδόκητα παραμορφωμένη γωνία 0,93 ± 0,01, η οποία είναι 15% μικρότερη από την καθιερωμένη «Μαγική Γωνία», είναι επίσης η μικρότερη που έχει αναφερθεί μέχρι σήμερα και παρουσιάζει υπεραγώγιμες ιδιότητες. Αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η νέα κατάσταση συσχέτισης μπορεί να εμφανιστεί στο στριμμένο διπλοστιβαδικό γραφένιο «Μαγική Γωνία», χαμηλότερα από την κύρια «μαγική γωνία», πέρα από την πρώτη μικρολωρίδα γραφενίου. Για την κατασκευή αυτών των συσκευών στριμμένου διπλοστιβαδικού γραφενίου «μαγικού κέρατος», η ομάδα χρησιμοποίησε μια προσέγγιση «σκισίματος και στοίβαξης». Η δομή μεταξύ των εξαγωνικών στρωμάτων νιτριδίου του βορίου (BN) είναι ενθυλακωμένη· διαμορφωμένη σε γεωμετρία ράβδου Hall με πολλαπλά σύρματα συνδεδεμένα με επαφές ακμής Cr/Au (χρώμιο/χρυσός). Ολόκληρη η συσκευή στριμμένου διπλοστιβαδικού γραφενίου «Μαγική Γωνία» κατασκευάστηκε πάνω από το στρώμα γραφενίου που χρησιμοποιείται ως πίσω πύλη.
Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν τυπικές τεχνικές κλειδώματος συνεχούς ρεύματος (DC) και εναλλασσόμενου ρεύματος (AC) για τη μέτρηση συσκευών σε αντλούμενους κρυοστάτες HE4 και HE3. Η ομάδα κατέγραψε τη σχέση μεταξύ της διαμήκους αντίστασης (Rxx) της συσκευής και του εκτεταμένου εύρους τάσης πύλης (VG) και υπολόγισε το μαγνητικό πεδίο B σε θερμοκρασία 1,7K. Παρατηρήθηκε μικρή ασυμμετρία ηλεκτρονίων-οπών ως εγγενής ιδιότητα της συσκευής διπλοστιβάδας γραφενίου "Magic Angle". Όπως παρατηρήθηκε σε προηγούμενες αναφορές, η ομάδα κατέγραψε αυτά τα αποτελέσματα και παρουσίασε λεπτομερώς τις αναφορές που έχουν υπεραγώγει μέχρι στιγμής. Η χαρακτηριστική "Magic Angle" περιστρέφει την ελάχιστη γωνία στρέψης της συσκευής διπλοστιβάδας γραφενίου. Με μια πιο προσεκτική εξέταση του διαγράμματος ανεμιστήρα Landau, οι ερευνητές απέκτησαν ορισμένα αξιοσημείωτα χαρακτηριστικά.
Για παράδειγμα, η κορυφή στο μισό γέμισμα και η διπλάσια εκφύλιση του επιπέδου Landau είναι σύμφωνες με τις προηγουμένως παρατηρημένες καταστάσεις μόνωσης τύπου Ροπών. Η ομάδα έδειξε ένα σπάσιμο στη συμμετρία της κατά προσέγγιση κοιλάδας σπιν SU(4) και τον σχηματισμό μιας νέας επιφάνειας Fermi οιονεί σωματιδίων. Ωστόσο, οι λεπτομέρειες απαιτούν μια πιο λεπτομερή επιθεώρηση. Παρατηρήθηκε επίσης η εμφάνιση υπεραγωγιμότητας, η οποία αύξησε την Rxx (διαμήκη αντίσταση), παρόμοια με προηγούμενες μελέτες. Στη συνέχεια, η ομάδα εξέτασε την κρίσιμη θερμοκρασία (Tc) της υπεραγώγιμης φάσης. Δεδομένου ότι δεν ελήφθησαν δεδομένα για βέλτιστη πρόσμιξη υπεραγωγών σε αυτό το δείγμα, οι επιστήμονες υπέθεσαν μια κρίσιμη θερμοκρασία έως 0,5K. Ωστόσο, αυτές οι συσκευές καθίστανται αναποτελεσματικές μέχρι να είναι σε θέση να λάβουν σαφή δεδομένα από την υπεραγώγιμη κατάσταση. Για να διερευνήσουν περαιτέρω την υπεραγώγιμη κατάσταση, οι ερευνητές μέτρησαν τα χαρακτηριστικά τάσης-ρεύματος (VI) τεσσάρων ακροδεκτών της συσκευής σε διαφορετικές πυκνότητες φορέων.
Η αντίσταση που λήφθηκε δείχνει ότι παρατηρείται υπερρεύμα σε μεγαλύτερο εύρος πυκνότητας και δείχνει την καταστολή του υπερρεύματος όταν εφαρμόζεται ένα παράλληλο μαγνητικό πεδίο. Για να κατανοήσουν τη συμπεριφορά που παρατηρήθηκε στη μελέτη, οι ερευνητές υπολόγισαν τη δομή της ζώνης Moir της συσκευής γραφενίου με στριμμένη διπλή στρώση "Magic Angle" χρησιμοποιώντας το μοντέλο Bistritzer-MacDonald και βελτιωμένες παραμέτρους. Σε σύγκριση με τον προηγούμενο υπολογισμό της γωνίας "Magic Angle", η υπολογιζόμενη ζώνη Moire χαμηλής ενέργειας δεν είναι απομονωμένη από τη ζώνη υψηλής ενέργειας. Αν και η γωνία στρέψης της συσκευής είναι μικρότερη από τη γωνία "μαγικής γωνίας" που υπολογίστηκε αλλού, η συσκευή έχει ένα φαινόμενο που σχετίζεται στενά με προηγούμενες μελέτες (μόνωση Mort και υπεραγωγιμότητα), το οποίο οι φυσικοί βρήκαν απροσδόκητο και εφικτό.
Μετά από περαιτέρω αξιολόγηση της συμπεριφοράς σε μεγάλες πυκνότητες (ο αριθμός των καταστάσεων που είναι διαθέσιμες σε κάθε ενέργεια), τα χαρακτηριστικά που παρατηρήθηκαν από τους επιστήμονες αποδίδονται στις νεοεμφανιζόμενες συσχετισμένες καταστάσεις μόνωσης. Στο μέλλον, θα διεξαχθεί μια πιο λεπτομερής μελέτη της πυκνότητας καταστάσεων (DOS) για να κατανοηθεί η περίεργη κατάσταση της μόνωσης και να προσδιοριστεί εάν μπορούν να ταξινομηθούν ως κβαντικά υγρά σπιν. Με αυτόν τον τρόπο, οι επιστήμονες παρατήρησαν υπεραγωγιμότητα κοντά στην μονωτική κατάσταση τύπου Mox σε μια συσκευή στριμμένου διπλοστοιβαδικού γραφενίου με μικρή γωνία στρέψης (0,93°). Αυτή η μελέτη δείχνει ότι ακόμη και σε τόσο μικρές γωνίες και υψηλές πυκνότητες, η επίδραση της συσχέτισης ηλεκτρονίων στις ιδιότητες του moiré είναι η ίδια. Στο μέλλον, θα μελετηθούν οι κοιλάδες σπιν της μονωτικής φάσης και μια νέα υπεραγώγιμη φάση θα μελετηθεί σε χαμηλότερη θερμοκρασία. Η πειραματική έρευνα θα συνδυαστεί με θεωρητικές προσπάθειες για την κατανόηση της προέλευσης αυτής της συμπεριφοράς.
Ώρα δημοσίευσης: 08 Οκτωβρίου 2019