El comportamiento de las franjas de Mohr y los cinturones planos en el grafeno bicapa retorcido de "ángulo mágico" (TBLG), un fenómeno de física cuántica, ha generado gran interés entre los científicos, aunque muchas de sus propiedades son objeto de un intenso debate. En un nuevo estudio publicado en la revista Science Progress, Emilio Colledo y científicos del Departamento de Física y Ciencia de los Materiales de Estados Unidos y Japón observaron superconductividad y analogía en el grafeno bicapa retorcido. El estado aislante de Mott presenta un ángulo de torsión de aproximadamente 0,93 grados. Este ángulo es un 15 % menor que el ángulo de "ángulo mágico" (1,1°) calculado en el estudio anterior. Este estudio demuestra que el rango del "ángulo mágico" del grafeno bicapa retorcido es mayor de lo previsto anteriormente.
Este estudio proporciona abundante información nueva para descifrar los fenómenos cuánticos intensos en el grafeno bicapa retorcido para aplicaciones en física cuántica. Los físicos definen la "twistrónica" como el ángulo de torsión relativo entre capas de van der Waals adyacentes para producir muaré y bandas planas en el grafeno. Este concepto se ha convertido en un método nuevo y único para modificar y personalizar significativamente las propiedades de los dispositivos basados en materiales bidimensionales para lograr el flujo de corriente. El notable efecto de la "twistrónica" se ejemplificó en el trabajo pionero de los investigadores, que demostró que cuando dos capas de grafeno monocapa se apilan con un ángulo de torsión de "ángulo mágico" de θ = 1,1 ± 0,1°, aparece una banda muy plana.
En este estudio, en el grafeno bicapa retorcido (TBLG), la fase aislante de la primera microbanda (característica estructural) de la superred en el "ángulo mágico" estaba semillena. El equipo de investigación determinó que se trata de un aislante de Mott (un aislante con propiedades superconductoras) que exhibe superconductividad a niveles de dopaje ligeramente más altos y más bajos. El diagrama de fases muestra el superconductor de alta temperatura entre la temperatura de transición superconductora (Tc) y la temperatura de Fermi (Tf). Esta investigación generó gran interés y debate teórico sobre la estructura de la banda de grafeno, la topología y los sistemas semiconductores adicionales de "ángulo mágico". En comparación con el informe teórico original, la investigación experimental es escasa y apenas comienza. En este estudio, el equipo realizó mediciones de transmisión en el grafeno bicapa retorcido de "ángulo mágico" que muestran los estados aislantes y superconductores relevantes.
Un ángulo inesperadamente distorsionado de 0,93 ± 0,01, que es un 15 % menor que el "ángulo mágico" establecido, es también el más pequeño reportado hasta la fecha y exhibe propiedades superconductoras. Estos resultados indican que el nuevo estado de correlación puede aparecer en el grafeno bicapa trenzado "ángulo mágico", más bajo que el "ángulo mágico" primario, más allá de la primera microbanda de grafeno. Para construir estos dispositivos de grafeno bicapa trenzado "cuerno mágico", el equipo utilizó un enfoque de "rasgar y apilar". La estructura entre las capas hexagonales de nitruro de boro (BN) está encapsulada; diseñada en una geometría de varilla Hall con múltiples cables acoplados a contactos de borde de Cr/Au (cromo/oro). Todo el dispositivo de grafeno bicapa trenzado "ángulo mágico" se fabricó sobre la capa de grafeno utilizada como puerta trasera.
Los científicos utilizan técnicas estándar de bloqueo de corriente continua (CC) y corriente alterna (CA) para medir dispositivos en criostatos HE4 y HE3 bombeados. El equipo registró la relación entre la resistencia longitudinal del dispositivo (Rxx) y el rango de voltaje de compuerta extendido (VG) y calculó el campo magnético B a una temperatura de 1,7 K. Se observó que la pequeña asimetría electrón-hueco es una propiedad inherente del dispositivo de grafeno bicapa retorcido "Ángulo Mágico". Como se observó en informes anteriores, el equipo registró estos resultados y detalló los informes que han sido superconductores hasta la fecha. El característico "Ángulo Mágico" tuerce el ángulo de torsión mínimo del dispositivo de grafeno bicapa. Con un examen más detallado del diagrama de abanico de Landau, los investigadores obtuvieron algunas características notables.
Por ejemplo, el pico en la mitad del llenado y la degeneración doble del nivel de Landau son consistentes con los estados de aislamiento de tipo Momento observados previamente. El equipo mostró una ruptura en la simetría del valle de espín aproximado SU(4) y la formación de una nueva superficie de Fermi de cuasipartícula. Sin embargo, los detalles requieren una inspección más detallada. También se observó la aparición de superconductividad, que aumentó Rxx (resistencia longitudinal), similar a estudios previos. Luego, el equipo examinó la temperatura crítica (Tc) de la fase superconductora. Dado que no se obtuvieron datos para el dopaje óptimo de los superconductores en esta muestra, los científicos asumieron una temperatura crítica de hasta 0,5 K. Sin embargo, estos dispositivos se vuelven ineficaces hasta que pueden obtener datos claros del estado superconductor. Para investigar más a fondo el estado superconductor, los investigadores midieron las características de voltaje-corriente (VI) de cuatro terminales del dispositivo a diferentes densidades de portadores.
La resistencia obtenida muestra que la supercorriente se observa en un rango de densidad más amplio y muestra la supresión de la supercorriente cuando se aplica un campo magnético paralelo. Para comprender mejor el comportamiento observado en el estudio, los investigadores calcularon la estructura de la banda de Moiré del dispositivo de grafeno bicapa retorcido "Magic Angle" utilizando el modelo de Bistritzer-MacDonald y parámetros mejorados. En comparación con el cálculo previo del ángulo "Magic Angle", la banda de Moiré de baja energía calculada no está aislada de la banda de alta energía. Si bien el ángulo de torsión del dispositivo es menor que el ángulo "magic" calculado en otro estudio, el dispositivo presenta un fenómeno estrechamente relacionado con estudios previos (aislamiento de Mort y superconductividad), que los físicos encontraron inesperado y factible.
Tras evaluar más a fondo el comportamiento a grandes densidades (el número de estados disponibles en cada energía), las características observadas por los científicos se atribuyen a los nuevos estados de aislamiento asociados emergentes. En el futuro, se realizará un estudio más detallado de la densidad de estados (DOS) para comprender el estado impar de aislamiento y determinar si pueden clasificarse como líquidos de espín cuántico. De esta manera, los científicos observaron superconductividad cerca del estado aislante tipo Mox en un dispositivo de grafeno bicapa retorcido con un ángulo de torsión pequeño (0,93°). Este estudio muestra que incluso en ángulos tan pequeños y densidades tan altas, el efecto de la correlación electrónica en las propiedades del moiré es el mismo. En el futuro, se estudiarán los valles de espín de la fase aislante y se estudiará una nueva fase superconductora a menor temperatura. La investigación experimental se combinará con esfuerzos teóricos para comprender el origen de este comportamiento.
Hora de publicación: 08-oct-2019