Perilaku garis-garis Mohr dan sabuk datar dalam ilmu fisika kuantum dan sains yang disebut "Sudut Ajaib" pada graphene bilayer terpilin (TBLG) telah menarik minat besar dari para ilmuwan, meskipun banyak sifatnya masih menjadi perdebatan hangat. Dalam sebuah studi baru yang diterbitkan dalam jurnal Science Progress, Emilio Colledo dan para ilmuwan di Departemen Fisika dan Ilmu Material di Amerika Serikat dan Jepang mengamati superkonduktivitas dan analogi pada graphene bilayer terpilin. Keadaan isolator Mott memiliki sudut putar sekitar 0,93 derajat. Sudut ini 15% lebih kecil daripada sudut "sudut ajaib" (1,1°) yang dihitung dalam studi sebelumnya. Studi ini menunjukkan bahwa rentang "sudut ajaib" graphene bilayer terpilin lebih besar dari yang diperkirakan sebelumnya.
Studi ini memberikan banyak informasi baru untuk menguraikan fenomena kuantum yang kuat pada graphene bilayer terpilin untuk aplikasi dalam fisika kuantum. Fisikawan mendefinisikan "Twistronics" sebagai sudut puntir relatif antara lapisan van der Waals yang berdekatan untuk menghasilkan moiré dan pita datar pada graphene. Konsep ini telah menjadi metode baru dan unik untuk secara signifikan mengubah dan menyesuaikan sifat perangkat berdasarkan material dua dimensi untuk mencapai aliran arus. Efek luar biasa dari "Twistronics" dicontohkan dalam karya perintis para peneliti, yang menunjukkan bahwa ketika dua lapisan graphene tunggal ditumpuk pada sudut puntir "sudut ajaib" θ=1,1±0,1°, pita yang sangat datar muncul.
Dalam penelitian ini, pada graphene bilayer terpilin (TBLG), fase isolasi dari mikrostrip pertama (fitur struktural) superlatis pada "sudut ajaib" terisi sebagian. Tim peneliti menentukan bahwa ini adalah isolator Mott (isolator dengan sifat superkonduktor) yang menunjukkan superkonduktivitas pada tingkat doping yang sedikit lebih tinggi dan lebih rendah. Diagram fase menunjukkan superkonduktor suhu tinggi antara suhu transisi superkonduktor (Tc) dan suhu Fermi (Tf). Penelitian ini memicu minat besar dan perdebatan teoretis tentang struktur pita graphene, topologi, dan sistem semikonduktor "Sudut Ajaib" tambahan. Dibandingkan dengan laporan teoretis aslinya, penelitian eksperimental masih jarang dan baru dimulai. Dalam penelitian ini, tim melakukan pengukuran transmisi pada graphene bilayer terpilin "sudut ajaib" yang menunjukkan keadaan isolasi dan superkonduktor yang relevan.
Sudut terdistorsi yang tidak terduga sebesar 0,93 ± 0,01, yang 15% lebih kecil dari "Sudut Ajaib" yang telah ditetapkan, juga merupakan sudut terkecil yang dilaporkan hingga saat ini dan menunjukkan sifat superkonduktor. Hasil ini menunjukkan bahwa keadaan korelasi baru dapat muncul pada graphene bilayer terpilin "Sudut Ajaib", lebih rendah dari "sudut ajaib" utama, di luar mikrostrip graphene pertama. Untuk membangun perangkat graphene bilayer terpilin "tanduk ajaib" ini, tim menggunakan pendekatan "sobek dan tumpuk". Struktur di antara lapisan boron nitrida (BN) heksagonal dienkapsulasi; dipola menjadi geometri batang Hall dengan beberapa kawat yang dihubungkan ke kontak tepi Cr/Au (kromium/emas). Seluruh perangkat graphene bilayer terpilin "Sudut Ajaib" dibuat di atas lapisan graphene yang digunakan sebagai gerbang belakang.
Para ilmuwan menggunakan teknik penguncian arus searah (DC) dan arus bolak-balik (AC) standar untuk mengukur perangkat dalam kriostat HE4 dan HE3 yang dipompa. Tim tersebut mencatat hubungan antara resistansi longitudinal perangkat (Rxx) dan rentang tegangan gerbang (VG) yang diperluas serta menghitung medan magnet B pada suhu 1,7K. Asimetri elektron-lubang kecil diamati sebagai sifat inheren dari perangkat graphene bilayer terpilin "Sudut Ajaib". Seperti yang diamati dalam laporan sebelumnya, tim tersebut mencatat hasil ini dan merinci laporan yang telah membahas superkonduktivitas sejauh ini. "Sudut Ajaib" yang khas memutar sudut torsi minimum dari perangkat graphene bilayer. Dengan pemeriksaan lebih dekat pada grafik kipas Landau, para peneliti memperoleh beberapa fitur penting.
Misalnya, puncak pada pengisian setengah dan degenerasi dua kali lipat dari tingkat Landau konsisten dengan keadaan isolasi mirip momen yang diamati sebelumnya. Tim menunjukkan adanya pelanggaran simetri dari lembah spin SU(4) dan pembentukan permukaan Fermi kuasi-partikel baru. Namun, detailnya memerlukan pemeriksaan yang lebih rinci. Munculnya superkonduktivitas juga diamati, yang meningkatkan Rxx (resistansi longitudinal), mirip dengan penelitian sebelumnya. Tim kemudian memeriksa suhu kritis (Tc) dari fase superkonduktor. Karena tidak ada data yang diperoleh untuk doping optimal superkonduktor dalam sampel ini, para ilmuwan mengasumsikan suhu kritis hingga 0,5K. Namun, perangkat ini menjadi tidak efektif sampai mereka dapat memperoleh data yang jelas dari keadaan superkonduktor. Untuk menyelidiki lebih lanjut keadaan superkonduktor, para peneliti mengukur karakteristik tegangan-arus (VI) empat terminal perangkat pada kerapatan pembawa yang berbeda.
Resistansi yang diperoleh menunjukkan bahwa arus super diamati pada rentang kerapatan yang lebih besar dan menunjukkan penekanan arus super ketika medan magnet paralel diterapkan. Untuk mendapatkan wawasan tentang perilaku yang diamati dalam penelitian ini, para peneliti menghitung struktur pita Moir dari perangkat graphene bilayer terpilin "Sudut Ajaib" menggunakan model Bistritzer-MacDonald dan parameter yang ditingkatkan. Dibandingkan dengan perhitungan sudut "Sudut Ajaib" sebelumnya, pita Moir energi rendah yang dihitung tidak terisolasi dari pita energi tinggi. Meskipun sudut putaran perangkat lebih kecil daripada sudut "sudut ajaib" yang dihitung di tempat lain, perangkat tersebut memiliki fenomena yang sangat terkait dengan penelitian sebelumnya (isolasi Mort dan superkonduktivitas), yang menurut para fisikawan tidak terduga dan layak.
Setelah mengevaluasi lebih lanjut perilaku pada kerapatan tinggi (jumlah keadaan yang tersedia pada setiap energi), karakteristik yang diamati oleh para ilmuwan dikaitkan dengan keadaan isolasi terkait yang baru muncul. Di masa mendatang, studi yang lebih detail tentang kerapatan keadaan (DOS) akan dilakukan untuk memahami keadaan isolasi yang aneh dan untuk menentukan apakah keadaan tersebut dapat diklasifikasikan sebagai cairan spin kuantum. Dengan cara ini, para ilmuwan mengamati superkonduktivitas di dekat keadaan isolasi mirip Mox pada perangkat graphene bilayer terpilin dengan sudut pilin kecil (0,93°). Studi ini menunjukkan bahwa bahkan pada sudut sekecil itu dan kerapatan tinggi, efek korelasi elektron pada sifat moiré adalah sama. Di masa mendatang, lembah spin dari fase isolasi akan dipelajari, dan fase superkonduktor baru akan dipelajari pada suhu yang lebih rendah. Penelitian eksperimental akan dikombinasikan dengan upaya teoretis untuk memahami asal usul perilaku ini.
Waktu posting: 08-Oktober-2019