Il comportamento delle strisce di Mohr e delle bande piatte nella scienza della fisica quantistica, noto come "angolo magico" del grafene a doppio strato ritorto (TBLG), ha suscitato grande interesse tra gli scienziati, sebbene molte delle sue proprietà siano oggetto di acceso dibattito. In un nuovo studio pubblicato sulla rivista Science Progress, Emilio Colledo e i ricercatori del Dipartimento di Fisica e Scienza dei Materiali negli Stati Uniti e in Giappone hanno osservato superconduttività e analogie nel grafene a doppio strato ritorto. Lo stato di isolante di Mott presenta un angolo di torsione di circa 0,93 gradi. Questo angolo è inferiore del 15% rispetto all'angolo "magico" (1,1°) calcolato in uno studio precedente. Questo studio dimostra che l'intervallo dell'"angolo magico" del grafene a doppio strato ritorto è più ampio di quanto previsto in precedenza.
Questo studio fornisce una ricchezza di nuove informazioni per decifrare i forti fenomeni quantistici nel grafene a doppio strato ritorto per applicazioni in fisica quantistica. I fisici definiscono la "Twistronica" come l'angolo di torsione relativo tra strati di van der Waals adiacenti per produrre bande di moiré e bande piatte nel grafene. Questo concetto è diventato un metodo nuovo e unico per modificare e personalizzare significativamente le proprietà dei dispositivi basati su materiali bidimensionali per ottenere il flusso di corrente. Il notevole effetto della "Twistronica" è stato esemplificato nel lavoro pionieristico dei ricercatori, dimostrando che quando due strati di grafene monostrato vengono sovrapposti con un angolo di torsione "magico" di θ=1,1±0,1°, appare una banda molto piatta.
In questo studio, nel grafene a doppio strato ritorto (TBLG), la fase isolante della prima microstriscia (caratteristica strutturale) del superreticolo all'"angolo magico" è risultata parzialmente riempita. Il team di ricerca ha determinato che si tratta di un isolante di Mott (un isolante con proprietà superconduttive) che presenta superconduttività a livelli di drogaggio leggermente superiori e inferiori. Il diagramma di fase mostra il superconduttore ad alta temperatura tra la temperatura di transizione superconduttiva (Tc) e la temperatura di Fermi (Tf). Questa ricerca ha suscitato grande interesse e dibattito teorico sulla struttura a bande del grafene, sulla topologia e su ulteriori sistemi semiconduttori all'"angolo magico". Rispetto al rapporto teorico originale, la ricerca sperimentale è rara e ha appena iniziato. In questo studio, il team ha condotto misurazioni di trasmissione sul grafene a doppio strato ritorto all'"angolo magico", mostrando i relativi stati isolanti e superconduttivi.
Un angolo inaspettatamente distorto di 0,93 ± 0,01, che è il 15% più piccolo dell'angolo magico stabilito, è anche il più piccolo riportato fino ad oggi e mostra proprietà superconduttive. Questi risultati indicano che il nuovo stato di correlazione può apparire nel grafene a doppio strato ritorto con angolo magico, al di sotto dell'angolo magico primario, oltre la prima microstriscia di grafene. Per costruire questi dispositivi a doppio strato di grafene ritorto con "corno magico", il team ha utilizzato un approccio "strappa e impila". La struttura tra gli strati esagonali di nitruro di boro (BN) è incapsulata; modellata in una geometria a barra di Hall con fili multipli accoppiati a contatti di bordo in Cr/Au (cromo/oro). L'intero dispositivo a doppio strato di grafene ritorto con angolo magico è stato fabbricato sopra lo strato di grafene utilizzato come gate posteriore.
Gli scienziati utilizzano tecniche di blocco standard in corrente continua (CC) e in corrente alternata (CA) per misurare i dispositivi nei criostati pompati HE4 e HE3. Il team ha registrato la relazione tra la resistenza longitudinale del dispositivo (Rxx) e l'intervallo esteso di tensione di gate (VG) e ha calcolato il campo magnetico B a una temperatura di 1,7 K. È stata osservata una piccola asimmetria elettrone-lacuna come proprietà intrinseca del dispositivo in grafene a doppio strato ritorto "Angolo Magico". Come osservato in precedenti rapporti, il team ha registrato questi risultati e ha dettagliato i rapporti che sono stati superconduttivi fino ad ora. Il caratteristico "Angolo Magico" torce l'angolo di torsione minimo del dispositivo in grafene a doppio strato. Con un esame più attento del diagramma a ventaglio di Landau, i ricercatori hanno ottenuto alcune caratteristiche notevoli.
Ad esempio, il picco a metà riempimento e la doppia degenerazione del livello di Landau sono coerenti con gli stati di isolamento di tipo Moment osservati in precedenza. Il team ha mostrato una rottura nella simmetria della valle di spin approssimata SU(4) e la formazione di una nuova superficie di Fermi di quasi-particelle. Tuttavia, i dettagli richiedono un'analisi più approfondita. È stata osservata anche la comparsa di superconduttività, che ha aumentato Rxx (resistenza longitudinale), in modo simile a studi precedenti. Il team ha quindi esaminato la temperatura critica (Tc) della fase superconduttiva. Poiché non sono stati ottenuti dati per il drogaggio ottimale dei superconduttori in questo campione, gli scienziati hanno ipotizzato una temperatura critica fino a 0,5 K. Tuttavia, questi dispositivi diventano inefficaci finché non saranno in grado di ottenere dati chiari dallo stato superconduttivo. Per studiare ulteriormente lo stato superconduttivo, i ricercatori hanno misurato le caratteristiche tensione-corrente (VI) a quattro terminali del dispositivo a diverse densità di portatori.
La resistenza ottenuta mostra che la supercorrente viene osservata su un intervallo di densità più ampio e mostra la soppressione della supercorrente quando viene applicato un campo magnetico parallelo. Per comprendere meglio il comportamento osservato nello studio, i ricercatori hanno calcolato la struttura a bande di Moir del dispositivo a doppio strato di grafene ritorto "Magic Angle" utilizzando il modello di Bistritzer-MacDonald e parametri migliorati. Rispetto al precedente calcolo dell'angolo "Magic Angle", la banda di Moir a bassa energia calcolata non è isolata dalla banda ad alta energia. Sebbene l'angolo di torsione del dispositivo sia inferiore all'angolo "Magic Angle" calcolato altrove, il dispositivo presenta un fenomeno fortemente correlato a studi precedenti (isolamento di Mort e superconduttività), che i fisici hanno trovato inaspettato e fattibile.
Dopo un'ulteriore valutazione del comportamento ad alte densità (il numero di stati disponibili per ogni energia), le caratteristiche osservate dagli scienziati sono attribuite ai nuovi stati di isolamento associati che emergono. In futuro, verrà condotto uno studio più dettagliato della densità degli stati (DOS) per comprendere lo stato dispari di isolamento e per determinare se possono essere classificati come liquidi di spin quantistici. In questo modo, gli scienziati hanno osservato la superconduttività vicino allo stato di isolamento di tipo Mox in un dispositivo di grafene a doppio strato ritorto con un piccolo angolo di torsione (0,93°). Questo studio dimostra che anche ad angoli così piccoli e ad alte densità, l'effetto della correlazione elettronica sulle proprietà del moiré è lo stesso. In futuro, verranno studiate le valli di spin della fase isolante e verrà studiata una nuova fase superconduttrice a una temperatura inferiore. La ricerca sperimentale sarà combinata con gli sforzi teorici per comprendere l'origine di questo comportamento.
Data di pubblicazione: 08-ott-2019