ابررسانایی گرافن جذاب‌تر است! آخرین کشف: محدوده «زاویه جادویی» در گرافن بزرگتر از حد انتظار است

رفتار نوارهای موهر و تسمه‌های تخت در علم فیزیک و فیزیک کوانتومی به نام گرافن دولایه پیچ‌خورده «زاویه جادویی» (TBLG) توجه زیادی از دانشمندان را به خود جلب کرده است، اگرچه بسیاری از خواص آن با بحث‌های داغی روبرو هستند. در یک مطالعه جدید که در مجله Science Progress منتشر شده است، امیلیو کولدو و دانشمندان گروه فیزیک و علوم مواد در ایالات متحده و ژاپن، ابررسانایی و قیاس را در گرافن دولایه پیچ‌خورده مشاهده کردند. حالت عایق مات دارای زاویه پیچشی حدود 0.93 درجه است. این زاویه 15٪ کوچکتر از زاویه «زاویه جادویی» (1.1 درجه) محاسبه شده در مطالعه قبلی است. این مطالعه نشان می‌دهد که محدوده «زاویه جادویی» گرافن دولایه پیچ‌خورده بزرگتر از حد انتظار قبلی است.

این مطالعه اطلاعات جدید و ارزشمندی را برای رمزگشایی پدیده‌های کوانتومی قوی در گرافن دولایه پیچ‌خورده برای کاربردهای فیزیک کوانتومی ارائه می‌دهد. فیزیکدانان «تویسترونیکس» را به عنوان زاویه پیچش نسبی بین لایه‌های مجاور واندروالس برای تولید نوارهای مویر و تخت در گرافن تعریف می‌کنند. این مفهوم به روشی جدید و منحصر به فرد برای تغییر قابل توجه و سفارشی‌سازی خواص دستگاه مبتنی بر مواد دوبعدی برای دستیابی به جریان تبدیل شده است. اثر قابل توجه «تویسترونیکس» در کار پیشگامانه محققان نشان داده شد و نشان داد که وقتی دو لایه گرافن تک لایه با زاویه پیچش «زاویه جادویی» θ=1.1±0.1° روی هم قرار می‌گیرند، یک نوار بسیار تخت ظاهر می‌شود.

در این مطالعه، در گرافن دولایه پیچ‌خورده (TBLG)، فاز عایق اولین میکرواستریپ (ویژگی ساختاری) ابرشبکه در "زاویه جادویی" نیمه‌پر بود. تیم تحقیقاتی مشخص کرد که این یک عایق مات (عایق با خواص ابررسانایی) است که ابررسانایی را در سطوح آلایش کمی بالاتر و پایین‌تر نشان می‌دهد. نمودار فاز، ابررسانای دمای بالا را بین دمای گذار ابررسانایی (Tc) و دمای فرمی (Tf) نشان می‌دهد. این تحقیق منجر به علاقه و بحث نظری زیادی در مورد ساختار باند گرافن، توپولوژی و سیستم‌های نیمه‌هادی "زاویه جادویی" اضافی شد. در مقایسه با گزارش نظری اولیه، تحقیقات تجربی نادر است و تازه آغاز شده است. در این مطالعه، تیم اندازه‌گیری‌های انتقال را روی گرافن دولایه پیچ‌خورده "زاویه جادویی" انجام داد که حالت‌های عایق و ابررسانایی مربوطه را نشان می‌دهد.

زاویه‌ی به طور غیرمنتظره‌ای اعوجاج‌یافته‌ی 0.93 ± 0.01، که 15٪ کوچک‌تر از «زاویه جادویی» تعیین‌شده است، همچنین کوچکترین زاویه‌ی گزارش‌شده تا به امروز است و خواص ابررسانایی را نشان می‌دهد. این نتایج نشان می‌دهد که حالت همبستگی جدید می‌تواند در گرافن دولایه پیچ‌خورده «زاویه جادویی»، پایین‌تر از «زاویه جادویی» اولیه، فراتر از اولین میکرواستریپ گرافن، ظاهر شود. برای ساخت این دستگاه‌های گرافن دولایه پیچ‌خورده «شاخ جادویی»، این تیم از رویکرد «پاره کردن و پشته کردن» استفاده کرد. ساختار بین لایه‌های نیترید بور شش‌ضلعی (BN) محصور شده است؛ که به صورت هندسه میله هال با چندین سیم متصل به تماس‌های لبه‌ای Cr/Au (کروم/طلا) الگودهی شده است. کل دستگاه گرافن دولایه پیچ‌خورده «زاویه جادویی» بر روی لایه گرافن مورد استفاده به عنوان گیت پشتی ساخته شد.

دانشمندان از تکنیک‌های قفل جریان مستقیم (DC) و جریان متناوب (AC) استاندارد برای اندازه‌گیری دستگاه‌ها در کرایوستات‌های HE4 و HE3 پمپ‌شده استفاده می‌کنند. این تیم رابطه بین مقاومت طولی دستگاه (Rxx) و محدوده ولتاژ گیت توسعه‌یافته (VG) را ثبت و میدان مغناطیسی B را در دمای 1.7 کلوین محاسبه کرد. عدم تقارن کوچک الکترون-حفره به عنوان یک ویژگی ذاتی دستگاه گرافن دولایه پیچ‌خورده "زاویه جادویی" مشاهده شد. همانطور که در گزارش‌های قبلی مشاهده شد، این تیم این نتایج را ثبت و گزارش‌هایی را که تاکنون ابررسانا بوده‌اند، به تفصیل شرح داد. مشخصه "زاویه جادویی" حداقل زاویه پیچش دستگاه گرافن دولایه را می‌چرخاند. با بررسی دقیق‌تر نمودار فن لاندائو، محققان به برخی از ویژگی‌های قابل توجه دست یافتند.

برای مثال، پیک در نیمه پر شدن و تبهگنی دو برابری تراز لاندائو با حالت‌های عایق گشتاور مانند مشاهده شده قبلی سازگار است. این تیم شکستی در تقارن دره اسپینی تقریبی SU(4) و تشکیل یک سطح فرمی شبه ذره جدید را نشان داد. با این حال، جزئیات نیاز به بررسی دقیق‌تری دارند. ظهور ابررسانایی نیز مشاهده شد که Rxx (مقاومت طولی) را افزایش داد، مشابه مطالعات قبلی. سپس این تیم دمای بحرانی (Tc) فاز ابررسانایی را بررسی کرد. از آنجایی که هیچ داده‌ای برای آلایش بهینه ابررساناها در این نمونه به دست نیامد، دانشمندان دمای بحرانی تا 0.5 کلوین را فرض کردند. با این حال، این دستگاه‌ها تا زمانی که قادر به دستیابی به داده‌های واضح از حالت ابررسانایی نباشند، بی‌اثر می‌شوند. برای بررسی بیشتر حالت ابررسانایی، محققان ویژگی‌های ولتاژ-جریان چهار ترمینالی (VI) دستگاه را در چگالی‌های حامل مختلف اندازه‌گیری کردند.

مقاومت به‌دست‌آمده نشان می‌دهد که ابرجریان در محدوده چگالی بزرگ‌تری مشاهده می‌شود و سرکوب ابرجریان را هنگام اعمال میدان مغناطیسی موازی نشان می‌دهد. برای درک بهتر رفتار مشاهده‌شده در این مطالعه، محققان ساختار باند مویر دستگاه گرافن دولایه پیچ‌خورده «زاویه جادویی» را با استفاده از مدل بیستریتزر-مک‌دونالد و پارامترهای بهبودیافته محاسبه کردند. در مقایسه با محاسبه قبلی زاویه «زاویه جادویی»، باند مویر کم‌انرژی محاسبه‌شده از باند انرژی بالا جدا نیست. اگرچه زاویه پیچش دستگاه از زاویه «زاویه جادویی» محاسبه‌شده در جای دیگر کوچک‌تر است، اما این دستگاه پدیده‌ای دارد که به شدت با مطالعات قبلی (عایق مورت و ابررسانایی) مرتبط است، که فیزیکدانان آن را غیرمنتظره و امکان‌پذیر یافتند.

پس از ارزیابی بیشتر رفتار در چگالی‌های بزرگ (تعداد حالت‌های موجود در هر انرژی)، ویژگی‌های مشاهده شده توسط دانشمندان به حالت‌های عایق مرتبطِ نوظهور نسبت داده می‌شود. در آینده، مطالعه دقیق‌تری از چگالی حالت‌ها (DOS) برای درک حالت عجیب عایق و تعیین اینکه آیا می‌توان آنها را به عنوان مایعات اسپین کوانتومی طبقه‌بندی کرد، انجام خواهد شد. به این ترتیب، دانشمندان ابررسانایی را در نزدیکی حالت عایق Mox مانند در یک دستگاه گرافن دولایه پیچ خورده با زاویه پیچش کوچک (0.93 درجه) مشاهده کردند. این مطالعه نشان می‌دهد که حتی در چنین زوایای کوچک و چگالی‌های بالا، اثر همبستگی الکترونی بر خواص ماره یکسان است. در آینده، دره‌های اسپینی فاز عایق مورد مطالعه قرار خواهد گرفت و یک فاز ابررسانایی جدید در دمای پایین‌تر مورد مطالعه قرار خواهد گرفت. تحقیقات تجربی با تلاش‌های نظری برای درک منشأ این رفتار ترکیب خواهد شد.