Il comportamento delle strisce di Mohr e delle cinghie piatte nella scienza della scienza e della fisica quantistica, denominato "Magic Angle" (TBLG), grafene a doppio strato ritorto, ha suscitato grande interesse tra gli scienziati, sebbene molte proprietà siano oggetto di un acceso dibattito. In un nuovo studio pubblicato sulla rivista Science Progress, Emilio Colledo e scienziati del Dipartimento di Fisica e Scienza dei Materiali negli Stati Uniti e in Giappone hanno osservato superconduttività e analogia nel grafene a doppio strato ritorto. Lo stato 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 nello studio precedente. Questo studio dimostra che l'intervallo di "angolo magico" del grafene a doppio strato ritorto è più ampio di quanto precedentemente previsto.
Questo studio fornisce una grande quantità di nuove informazioni per decifrare i fenomeni quantistici forti nel grafene bistrato ritorto, per applicazioni in fisica quantistica. I fisici definiscono "Twistronics" come l'angolo di torsione relativo tra strati di van der Waals adiacenti che produce 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 al fine di ottenere il flusso di corrente. Il notevole effetto di "Twistronics" è stato esemplificato nel lavoro pionieristico dei ricercatori, dimostrando che quando due strati di grafene monostrato vengono impilati con un angolo di torsione "magico" di θ = 1,1 ± 0,1°, si forma una banda molto piatta.
In questo studio, nel grafene a doppio strato ritorto (TBLG), la fase isolante della prima microstriscia (caratteristica strutturale) del superreticolo in corrispondenza dell'"angolo magico" era semi-riempita. Il team di ricerca ha determinato che si tratta di un isolante di Mott (un isolante con proprietà superconduttive) che mostra 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 ad "angolo magico". Rispetto al rapporto teorico originale, la ricerca sperimentale è rara e appena iniziata. In questo studio, il team ha condotto misure di trasmissione sul grafene a doppio strato ritorto ad "angolo magico" mostrando i relativi stati isolante e superconduttore.
Un angolo inaspettatamente distorto di 0,93 ± 0,01, che è inferiore del 15% rispetto all'"Angolo Magico" stabilito, è anche il più piccolo finora riportato e mostra proprietà superconduttive. Questi risultati indicano che il nuovo stato di correlazione può apparire nel grafene a doppio strato ritorto "Angolo Magico", più in basso dell'"angolo magico" primario, oltre la prima microstriscia di grafene. Per costruire questi dispositivi in grafene a doppio strato ritorto "a corno magico", il team ha utilizzato un approccio "tear and stack". La struttura tra gli strati esagonali di nitruro di boro (BN) è incapsulata; modellata in una geometria a barra di Hall con più fili accoppiati a contatti di bordo Cr/Au (cromo/oro). L'intero dispositivo in grafene a doppio strato ritorto "Angolo Magico" è stato fabbricato sopra lo strato di grafene utilizzato come back gate.
Gli scienziati utilizzano tecniche standard di bloccaggio a corrente continua (CC) e alternata (CA) per misurare i dispositivi nei criostati HE4 e HE3 pompati. Il team ha registrato la relazione tra la resistenza longitudinale del dispositivo (Rxx) e l'intervallo di tensione di gate estesa (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 di grafene a doppio strato ritorto "Angolo Magico". Come osservato in precedenti rapporti, il team ha registrato questi risultati e dettagliato i rapporti che hanno finora trattato la superconduttività. Il caratteristico "Angolo Magico" ruota l'angolo di torsione minimo del dispositivo di grafene a doppio strato. Con un esame più approfondito del diagramma a ventaglio di Landau, i ricercatori hanno acquisito alcune caratteristiche degne di nota.
Ad esempio, il picco a metà riempimento e la degenerazione doppia del livello di Landau sono coerenti con gli stati di isolamento di tipo Moment precedentemente osservati. Il team ha mostrato una rottura nella simmetria della valle di spin approssimativa SU(4) e la formazione di una nuova superficie di Fermi quasi-particellare. 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 sono in grado di ottenere dati chiari dallo stato superconduttivo. Per indagare 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 si osserva su un intervallo di densità più ampio e mostra la soppressione della supercorrente quando viene applicato un campo magnetico parallelo. Per ottenere informazioni sul comportamento osservato nello studio, i ricercatori hanno calcolato la struttura a bande di Moir del dispositivo di grafene a doppio strato ritorto "Angolo Magico" utilizzando il modello di Bistritzer-MacDonald e parametri migliorati. Rispetto al calcolo precedente dell'angolo "Angolo Magico", 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 "Angolo Magico" 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 aver ulteriormente valutato il comportamento a grandi densità (il numero di stati disponibili per ciascuna energia), le caratteristiche osservate dagli scienziati vengono attribuite ai nuovi stati di isolamento associati emergenti. In futuro, verrà condotto uno studio più dettagliato sulla densità degli stati (DOS) per comprendere lo stato dispari dell'isolamento e determinare se questi possano essere classificati come liquidi di spin quantistici. In questo modo, gli scienziati hanno osservato la superconduttività in prossimità dello stato isolante 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 a tali angoli ridotti e densità elevate, 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 temperature inferiori. La ricerca sperimentale sarà combinata con sforzi teorici per comprendere l'origine di questo comportamento.
Data di pubblicazione: 08-10-2019