A Mohr-csíkok és lapos övek viselkedése a természettudományokban és a kvantumfizikában, az úgynevezett „mágikus szög” csavart kétrétegű grafén (TBLG) iránt nagy érdeklődést váltott ki a tudósok körében, bár számos tulajdonsága heves vita tárgyát képezi. A Science Progress folyóiratban megjelent új tanulmányban Emilio Colledo, valamint az Egyesült Államok és Japán Fizikai és Anyagtudományi Tanszékének tudósai szupravezetést és analógiát figyeltek meg a csavart kétrétegű grafénben. A Mott-szigetelő állapot csavarási szöge körülbelül 0,93 fok. Ez a szög 15%-kal kisebb, mint az előző tanulmányban kiszámított „mágikus szög” szög (1,1°). Ez a tanulmány azt mutatja, hogy a csavart kétrétegű grafén „mágikus szög” tartománya nagyobb a korábban vártnál.
Ez a tanulmány rengeteg új információval szolgál a csavart kétrétegű grafénben lejátszódó erős kvantumjelenségek megfejtéséhez a kvantumfizikai alkalmazások szempontjából. A fizikusok a „twistronics” fogalmát úgy definiálják, mint a szomszédos van der Waals-rétegek közötti relatív csavarodási szöget, amely moiré-effektust és lapos sávokat hoz létre a grafénben. Ez a koncepció egy új és egyedülálló módszerré vált a kétdimenziós anyagokon alapuló eszközök tulajdonságainak jelentős megváltoztatására és testreszabására az áram folyásának elérése érdekében. A „twistronics” figyelemre méltó hatását a kutatók úttörő munkája példázza, amely kimutatta, hogy amikor két egyrétegű grafénréteget θ=1,1±0,1° „mágikus szögben” egymásra raknak, egy nagyon lapos sáv jelenik meg.
Ebben a tanulmányban a csavart kétrétegű grafénben (TBLG) a szuperrács első mikrocsíkjának (szerkezeti jellemzőjének) szigetelő fázisa a „mágikus szögnél” félig kitöltött volt. A kutatócsoport megállapította, hogy ez egy Mott-szigetelő (szupravezető tulajdonságokkal rendelkező szigetelő), amely kissé magasabb és alacsonyabb adalékolási szinteken is szupravezetést mutat. A fázisdiagram a magas hőmérsékletű szupravezetőt mutatja a szupravezető átmeneti hőmérséklet (Tc) és a Fermi-hőmérséklet (Tf) között. Ez a kutatás nagy érdeklődést és elméleti vitát váltott ki a grafén sávszerkezetéről, topológiájáról és további „mágikus szög” félvezető rendszerekről. Az eredeti elméleti jelentéshez képest a kísérleti kutatás ritka, és most kezdődött. Ebben a tanulmányban a csapat transzmissziós méréseket végzett a „mágikus szög” csavart kétrétegű grafénen, bemutatva a releváns szigetelő és szupravezető állapotokat.
Egy váratlanul 0,93 ± 0,01-es torzított szög, amely 15%-kal kisebb, mint a megállapított „mágikus szög”, egyben a legkisebb eddig jelentett érték is, és szupravezető tulajdonságokat mutat. Ezek az eredmények azt jelzik, hogy az új korrelációs állapot megjelenhet a „mágikus szög” csavart kétrétegű grafénben, az elsődleges „mágikus szög” alatt, a grafén első mikrocsíkján túl. Ezen „mágikus szarv” csavart kétrétegű graféneszközök megépítéséhez a csapat a „tépd és halmozd” megközelítést alkalmazta. A hatszögletű bór-nitrid (BN) rétegek közötti szerkezetet tokozzák; Hall-rúd geometriába mintázzák, több vezetékkel, amelyek Cr/Au (króm/arany) élérintkezőhöz vannak csatlakoztatva. A teljes „mágikus szög” csavart kétrétegű graféneszközt a hátsó kapuként használt grafénréteg tetejére gyártották.
A tudósok standard egyenáramú (DC) és váltakozó áramú (AC) zárási technikákat alkalmaznak a pumpált HE4 és HE3 kriosztátokban lévő eszközök mérésére. A csapat feljegyezte az eszköz hosszirányú ellenállása (Rxx) és a kiterjesztett kapufeszültség (VG) tartomány közötti összefüggést, és kiszámította a B mágneses teret 1,7 K hőmérsékleten. Megfigyelték, hogy a kis elektron-lyuk aszimmetria a „mágikus szög” csavart kétrétegű grafén eszköz inherens tulajdonsága. A korábbi jelentésekben megfigyeltekhez hasonlóan a csapat feljegyezte ezeket az eredményeket, és részletezte az eddig szupravezető jelentéseket. A „mágikus szög” karakterisztikus csavarása a kétrétegű grafén eszköz minimális torziós szögét jelenti. A Landau-legénydiagram alaposabb vizsgálatával a kutatók néhány figyelemre méltó jellemzőt fedeztek fel.
Például a félig töltöttségi szintnél jelentkező csúcs és a Landau-szint kétszeres degenerációja összhangban van a korábban megfigyelt momentumszerű szigetelőállapotokkal. A csapat kimutatta a közelítő spinvölgy SU(4) szimmetriájának megszakadását és egy új kvázirészecske Fermi-felület kialakulását. A részletek azonban részletesebb vizsgálatot igényelnek. Szupravezetés megjelenését is megfigyelték, ami a korábbi tanulmányokhoz hasonlóan növelte az Rxx-et (longitudinális ellenállás). A csapat ezután megvizsgálta a szupravezető fázis kritikus hőmérsékletét (Tc). Mivel ebben a mintában nem találtak adatokat a szupravezetők optimális adalékolásáról, a tudósok legfeljebb 0,5 K kritikus hőmérsékletet feltételeztek. Ezek az eszközök azonban hatástalanná válnak, amíg nem képesek egyértelmű adatokat nyerni a szupravezető állapotból. A szupravezető állapot további vizsgálata érdekében a kutatók megmérték az eszköz négy kivezetéses feszültség-áram (VI) karakterisztikáját különböző töltéshordozó-sűrűségek mellett.
A kapott ellenállás azt mutatja, hogy a szuperáram nagyobb sűrűségtartományban figyelhető meg, és a szuperáram elnyomását mutatja párhuzamos mágneses tér alkalmazásakor. A tanulmányban megfigyelt viselkedés megértése érdekében a kutatók a Bistritzer-MacDonald modell és továbbfejlesztett paraméterek segítségével kiszámították a „mágikus szög” csavart kétrétegű grafén eszköz Moir-sáv szerkezetét. A „mágikus szög” szögének korábbi kiszámításához képest a kiszámított alacsony energiájú Moire-sáv nincs elkülönítve a nagy energiájú sávtól. Bár az eszköz csavarodási szöge kisebb, mint a máshol kiszámított „mágikus szög”, az eszköz egy olyan jelenséggel rendelkezik, amely szorosan összefügg a korábbi tanulmányokkal (Mort-szigetelés és szupravezetés), amelyet a fizikusok váratlannak és megvalósíthatónak találtak.
A nagy sűrűségek (az egyes energiákon elérhető állapotok száma) melletti viselkedés további értékelése után a tudósok által megfigyelt jellemzőket az újonnan kialakuló kapcsolódó szigetelőállapotoknak tulajdonítják. A jövőben részletesebb állapotsűrűség-vizsgálatot (DOS) fognak végezni a szigetelés furcsa állapotainak megértése és annak meghatározása érdekében, hogy ezek kvantum spinfolyadékként osztályozhatók-e. Ily módon a tudósok szupravezetést figyeltek meg a Mox-szerű szigetelőállapot közelében egy kis csavarási szöggel (0,93°) rendelkező csavart kétrétegű graféneszközben. Ez a tanulmány azt mutatja, hogy még ilyen kis szögek és nagy sűrűségek esetén is az elektronkorreláció hatása a moiré tulajdonságaira ugyanaz. A jövőben a szigetelőfázis spinvölgyeit fogják tanulmányozni, és egy új szupravezető fázist fognak alacsonyabb hőmérsékleten vizsgálni. A kísérleti kutatásokat elméleti erőfeszítésekkel kombinálják, hogy megértsék e viselkedés eredetét.
Közzététel ideje: 2019. október 8.