מוליכות-על של גרפן מושכת יותר! התגלית האחרונה: טווח "זווית הקסם" בגרפן גדול מהצפוי

התנהגותם של פסי מוהר וחגורות שטוחות במדע ובפיזיקת הקוונטים, המכונה גרפן דו-שכבתי מעוות מסוג "זווית קסומה" (TBLG), משכה עניין רב מצד מדענים, אם כי תכונות רבות עומדות בפני ויכוח סוער. במחקר חדש שפורסם בכתב העת Science Progress, אמיליו קולדו ומדענים מהמחלקה לפיזיקה ומדעי החומרים בארצות הברית וביפן צפו במוליכות-על ובאנלוגיה בגרפן דו-שכבתי מעוות. למצב מבודד מוט יש זווית פיתול של כ-0.93 מעלות. זווית זו קטנה ב-15% מזווית "הזווית הקסומה" (1.1°) שחושבה במחקר הקודם. מחקר זה מראה שטווח "הזווית הקסומה" של גרפן דו-שכבתי מעוות גדול מהצפוי בעבר.

מחקר זה מספק שפע של מידע חדש לפענוח תופעות קוונטיות חזקות בגרפן דו-שכבתי מעוות עבור יישומים בפיזיקה קוונטית. פיזיקאים מגדירים "טוויסטרוניקה" כזווית הפיתול היחסית בין שכבות ואן דר ואלס סמוכות ליצירת פסים שטוחים ומוירה בגרפן. מושג זה הפך לשיטה חדשה וייחודית לשינוי והתאמה אישית משמעותית של תכונות התקנים המבוססות על חומרים דו-ממדיים כדי להשיג זרימת זרם. ההשפעה המדהימה של "טוויסטרוניקה" הודגמה בעבודתם החלוצית של החוקרים, שהדגימה שכאשר שתי שכבות גרפן חד-שכבתיות נערמות בזווית פיתול של "זווית קסומה" של θ=1.1±0.1°, מופיע פס שטוח מאוד.

במחקר זה, בגרפן דו-שכבתי מעוות (TBLG), הפאזה המבודדת של המיקרו-סטריפ הראשון (מאפיין מבני) של הסופר-סריג ב"זווית הקסומה" הייתה מלאה למחצה. צוות המחקר קבע שמדובר בבידוד מוט (בידוד בעל תכונות מוליכות-על) המציג מוליכות-על ברמות סימום מעט גבוהות ונמוכות יותר. דיאגרמת הפאזה מציגה את מוליך-העל בטמפרטורה גבוהה בין טמפרטורת המעבר של מוליך-העל (Tc) לטמפרטורת פרמי (Tf). מחקר זה הוביל לעניין רב ולדיון תיאורטי על מבנה פס הגרפן, טופולוגיה ומערכות מוליכים למחצה נוספות של "זווית הקסומה". בהשוואה לדוח התיאורטי המקורי, מחקר ניסיוני הוא נדיר ורק החל. במחקר זה, הצוות ביצע מדידות העברה על גרפן דו-שכבתי מעוות "זווית הקסומה", שהראו את מצבי הבידוד והמוליך-על הרלוונטיים.

זווית מעוותת באופן בלתי צפוי של 0.93 ± 0.01, שהיא קטנה ב-15% מ"זווית הקסומה" שנקבעה, היא גם הקטנה ביותר שדווחה עד כה ומציגה תכונות מוליכות-על. תוצאות אלו מצביעות על כך שמצב הקורלציה החדש יכול להופיע בגרפן דו-שכבתי מעוות "זווית הקסומה", נמוך יותר מ"זווית הקסומה" הראשונית, מעבר למיקרו-סטריפ הראשון של גרפן. כדי לבנות התקני גרפן דו-שכבתי מעוותים "קרן הקסומה" הללו, הצוות השתמש בגישת "קריעה וערום". המבנה בין שכבות הבורון ניטריד (BN) המשושה נעטף; מעוצב בגיאומטריית מוט הול עם חוטים מרובים המחוברים למגעי קצה Cr/Au (כרום/זהב). כל התקן הגרפן הדו-שכבתי המעוות "זווית הקסומה" יוצר על גבי שכבת הגרפן ששימשה כשער אחורי.

מדענים משתמשים בטכניקות נעילה סטנדרטיות של זרם ישר (DC) וזרם חילופין (AC) כדי למדוד התקנים בקריוסטטים HE4 ו-HE3 שאובים. הצוות תיעד את הקשר בין ההתנגדות האורכית (Rxx) של ההתקן לבין טווח מתח השער המורחב (VG) וחישב את השדה המגנטי B בטמפרטורה של 1.7K. אסימטריה קטנה של חור אלקטרונים נצפתה כתכונה אינהרנטית של התקן הגרפן הדו-שכבתי המעוות "זווית קסומה". כפי שנצפה בדיווחים קודמים, הצוות תיעד תוצאות אלו ופירט את הדוחות שהיו מוליכי-על עד כה. "זווית הקסומה" האופיינית מסובבת את זווית הפיתול המינימלית של התקן הגרפן הדו-שכבתי. בבחינה מדוקדקת יותר של תרשים המניפה של לנדאו, החוקרים גילו כמה מאפיינים בולטים.

לדוגמה, השיא בחצי מילוי והניוון הכפול של רמת לנדאו עולים בקנה אחד עם מצבי הבידוד דמויי המומנט שנצפו בעבר. הצוות הראה שבר בסימטריה של עמק הספין המשוער SU(4) והיווצרות של משטח פרמי קוואזי-חלקיקי חדש. עם זאת, הפרטים דורשים בדיקה מפורטת יותר. נצפתה גם הופעת מוליכות-על, אשר הגבירה את Rxx (התנגדות אורכית), בדומה למחקרים קודמים. לאחר מכן, הצוות בחן את הטמפרטורה הקריטית (Tc) של הפאזה המוליכה-על. מכיוון שלא התקבלו נתונים לסימום אופטימלי של מוליכי-על בדגימה זו, המדענים הניחו טמפרטורה קריטית של עד 0.5K. עם זאת, התקנים אלה הופכים לחסרי יעילות עד שהם מסוגלים לקבל נתונים ברורים ממצב המוליך-על. כדי לחקור עוד יותר את מצב המוליך-על, החוקרים מדדו את מאפייני מתח-זרם (VI) בעלי ארבעת הדקים של ההתקן בצפיפויות נושאות שונות.

ההתנגדות שהתקבלה מראה כי זרם-על נצפה על פני טווח צפיפות גדול יותר ומראה את דיכוי הזרם-על כאשר מופעל שדה מגנטי מקביל. כדי לקבל תובנה לגבי ההתנהגות שנצפתה במחקר, החוקרים חישבו את מבנה פס המואר של התקן הגרפן הדו-שכבתי המפותל "זווית קסומה" באמצעות מודל ביסטריצר-מקדונלד ופרמטרים משופרים. בהשוואה לחישוב הקודם של זווית "זווית קסומה", פס המואר בעל האנרגיה הנמוכה המחושב אינו מבודד מפס האנרגיה הגבוהה. למרות שזווית הפיתול של ההתקן קטנה יותר מזווית "זווית הקסומה" שחושבה במקום אחר, להתקן יש תופעה הקשורה קשר הדוק למחקרים קודמים (בידוד מורט ומוליכות-על), אשר פיזיקאים מצאו כבלתי צפויים ובעלי ביצוע.

לאחר הערכה נוספת של ההתנהגות בצפיפויות גדולות (מספר המצבים הזמינים בכל אנרגיה), המאפיינים שנצפו על ידי המדענים מיוחסים למצבי הבידוד הקשורים החדשים שצצו. בעתיד, יבוצע מחקר מפורט יותר של צפיפות המצבים (DOS) כדי להבין את מצב הבידוד המוזר ולקבוע אם ניתן לסווג אותם כנוזלי ספין קוונטיים. בדרך זו, מדענים צפו במוליכות-על ליד מצב הבידוד דמוי-Mox בהתקן גרפן דו-שכבתי מעוות עם זווית פיתול קטנה (0.93°). מחקר זה מראה שגם בזוויות קטנות כאלה ובצפיפויות גבוהות, השפעת המתאם האלקטרוני על תכונות המואר זהה. בעתיד, ייחקרו עמקי הספין של הפאזה המבודדת, ותיחקר פאזה מוליכה-על חדשה בטמפרטורה נמוכה יותר. מחקר ניסיוני ישולב עם מאמצים תיאורטיים כדי להבין את מקור התנהגות זו.