Le comportement des bandes de Mohr et des ceintures plates en sciences et en physique quantique, appelé graphène bicouche torsadé à « angle magique » (TBLG), suscite un vif intérêt parmi les scientifiques, bien que de nombreuses propriétés fassent l'objet de débats houleux. Dans une nouvelle étude publiée dans la revue Science Progress, Emilio Colledo et des scientifiques du Département de physique et de science des matériaux des États-Unis et du Japon ont observé la supraconductivité et l'analogie dans le graphène bicouche torsadé. L'état isolant de Mott présente un angle de torsion d'environ 0,93 degré. Cet angle est 15 % inférieur à l'angle « angle magique » (1,1°) calculé dans l'étude précédente. Cette étude montre que la plage d'« angle magique » du graphène bicouche torsadé est plus large que prévu.
Cette étude fournit une mine de nouvelles informations pour déchiffrer les phénomènes quantiques forts dans le graphène bicouche torsadé en vue d'applications en physique quantique. Les physiciens définissent la « twistronique » comme l'angle de torsion relatif entre des couches de van der Waals adjacentes pour produire du moiré et des bandes plates dans le graphène. Ce concept est devenu une méthode nouvelle et unique pour modifier et personnaliser significativement les propriétés des dispositifs basés sur des matériaux bidimensionnels afin d'obtenir un flux de courant. L'effet remarquable de la « twistronique » a été illustré par les travaux pionniers des chercheurs, démontrant que lorsque deux couches de graphène monocouches sont empilées à un angle de torsion « magique » de θ=1,1±0,1°, une bande très plate apparaît.
Dans cette étude, dans le graphène bicouche torsadée (TBLG), la phase isolante du premier microruban (élément structural) du super-réseau à « l'angle magique » était semi-remplie. L'équipe de recherche a déterminé qu'il s'agissait d'un isolant de Mott (un isolant aux propriétés supraconductrices) présentant une supraconductivité à des niveaux de dopage légèrement supérieurs et inférieurs. Le diagramme de phase illustre le supraconducteur à haute température entre la température de transition supraconductrice (Tc) et la température de Fermi (Tf). Cette recherche a suscité un vif intérêt et un débat théorique sur la structure des bandes de graphène, la topologie et d'autres systèmes semi-conducteurs à « l'angle magique ». Comparées au rapport théorique initial, les recherches expérimentales sont rares et viennent tout juste de débuter. Dans cette étude, l'équipe a effectué des mesures de transmission sur le graphène bicouche torsadée à « l'angle magique », mettant en évidence les états isolant et supraconducteur pertinents.
Un angle de distorsion inattendu de 0,93 ± 0,01, soit 15 % inférieur à l'« angle magique » établi, est également le plus petit observé à ce jour et présente des propriétés supraconductrices. Ces résultats indiquent que le nouvel état de corrélation peut apparaître dans le graphène bicouche torsadé « Angle magique », plus bas que l'« angle magique » primaire, au-delà du premier microruban de graphène. Pour construire ces dispositifs en graphène bicouche torsadé « corne magique », l'équipe a utilisé une approche « déchirer et empiler ». La structure entre les couches hexagonales de nitrure de bore (BN) est encapsulée ; structurée selon une géométrie de barre Hall avec plusieurs fils couplés à des contacts de bord Cr/Au (chrome/or). L'ensemble du dispositif en graphène bicouche torsadé « Angle magique » a été fabriqué sur la couche de graphène utilisée comme grille arrière.
Les scientifiques utilisent des techniques standard de verrouillage en courant continu (CC) et en courant alternatif (CA) pour mesurer les dispositifs dans les cryostats HE4 et HE3 pompés. L'équipe a enregistré la relation entre la résistance longitudinale du dispositif (Rxx) et la plage étendue de tension de grille (VG) et a calculé le champ magnétique B à une température de 1,7 K. Une faible asymétrie électron-trou a été observée comme une propriété inhérente du dispositif en graphène bicouche torsadé « Angle magique ». Comme observé dans des rapports précédents, l'équipe a enregistré ces résultats et détaillé les rapports supraconducteurs jusqu'à présent. L'« Angle magique » caractéristique tord l'angle de torsion minimal du dispositif en graphène bicouche. Un examen plus approfondi du diagramme en éventail de Landau a permis aux chercheurs d'obtenir des caractéristiques notables.
Par exemple, le pic à mi-remplissage et la dégénérescence double du niveau de Landau sont cohérents avec les états d'isolation de type Moment observés précédemment. L'équipe a montré une rupture de symétrie de la vallée de spin approximative SU(4) et la formation d'une nouvelle surface de Fermi quasi-particulaire. Cependant, les détails nécessitent une inspection plus approfondie. L'apparition de supraconductivité a également été observée, ce qui a augmenté Rxx (résistance longitudinale), comme dans les études précédentes. L'équipe a ensuite examiné la température critique (Tc) de la phase supraconductrice. Comme aucune donnée n'a été obtenue pour le dopage optimal des supraconducteurs dans cet échantillon, les scientifiques ont supposé une température critique allant jusqu'à 0,5 K. Cependant, ces dispositifs deviennent inefficaces tant qu'ils ne sont pas en mesure d'obtenir des données claires sur l'état supraconducteur. Pour étudier plus en détail l'état supraconducteur, les chercheurs ont mesuré les caractéristiques tension-courant (VI) à quatre bornes du dispositif à différentes densités de porteurs.
La résistance obtenue montre que le supercourant est observé sur une plage de densité plus large et met en évidence sa suppression lorsqu'un champ magnétique parallèle est appliqué. Pour mieux comprendre le comportement observé dans l'étude, les chercheurs ont calculé la structure de la bande de moiré du dispositif en graphène bicouche torsadé « Angle Magique » à l'aide du modèle de Bistritzer-MacDonald et de paramètres améliorés. Comparée au calcul précédent de l'angle « Angle Magique », la bande de moiré à basse énergie calculée n'est pas isolée de la bande à haute énergie. Bien que l'angle de torsion du dispositif soit inférieur à l'angle « Angle Magique » calculé ailleurs, le dispositif présente un phénomène étroitement lié à des études antérieures (isolation de mort et supraconductivité), que les physiciens ont jugé inattendu et réalisable.
Après une évaluation plus approfondie du comportement à grandes densités (nombre d'états disponibles pour chaque énergie), les caractéristiques observées par les scientifiques sont attribuées aux nouveaux états isolants associés. À l'avenir, une étude plus détaillée de la densité d'états (DOS) sera menée afin de comprendre l'état isolant étrange et de déterminer s'il peut être classé comme liquide de spin quantique. Ainsi, les scientifiques ont observé une supraconductivité proche de l'état isolant de type Mox dans un dispositif en graphène bicouche torsadé avec un faible angle de torsion (0,93°). Cette étude montre que même à des angles aussi faibles et à des densités aussi élevées, l'effet de la corrélation électronique sur les propriétés du moiré est le même. À l'avenir, les vallées de spin de la phase isolante seront étudiées, ainsi qu'une nouvelle phase supraconductrice à plus basse température. La recherche expérimentale sera combinée à des travaux théoriques pour comprendre l'origine de ce comportement.
Date de publication : 08/10/2019