科学と量子物理学の分野におけるモール縞と平らなベルトの挙動は「マジックアングル」ツイスト二層グラフェン（TBLG）と呼ばれ、多くの特性が白熱した議論に直面しているものの、科学者から大きな関心を集めています。Science Progress誌に掲載された新しい研究で、エミリオ・コレド氏と米国および日本の物理学および材料科学部の科学者は、ツイスト二層グラフェンで超伝導とその類似性を観測しました。モット絶縁体状態のツイスト角は約0.93度です。この角度は、以前の研究で計算された「マジックアングル」角度（1.1°）よりも15％小さくなっています。この研究は、ツイスト二層グラフェンの「マジックアングル」範囲がこれまで予想されていたよりも広いことを示しています。
この研究は、量子物理学への応用を目的とした、ねじれ二層グラフェンにおける強い量子現象の解明に新たな知見をもたらすものです。物理学者は「ツイストロニクス」を、隣接するファンデルワールス層間の相対的なねじれ角によってグラフェンにモアレと平坦なバンドが生じる現象と定義しています。この概念は、2次元材料に基づくデバイス特性を大幅に変化させ、カスタマイズすることで電流の流れを実現するための、新しくユニークな手法となっています。「ツイストロニクス」の顕著な効果は、研究者による先駆的な研究で実証されており、2層の単層グラフェンを「マジックアングル」と呼ばれるねじれ角（θ=1.1±0.1°）で積み重ねると、非常に平坦なバンドが現れることが実証されています。
本研究では、ねじれ二層グラフェン（TBLG）において、「マジックアングル」にある超格子の最初のマイクロストリップ（構造的特徴）の絶縁相が半充填状態であった。研究チームは、これがわずかに高いドーピングレベルと低いドーピングレベルで超伝導を示すモット絶縁体（超伝導特性を持つ絶縁体）であると判定した。相図は、超伝導転移温度（Tc）とフェルミ温度（Tf）の間で高温超伝導体を示している。本研究は、グラフェンのバンド構造、トポロジー、およびその他の「マジックアングル」半導体システムに関する大きな関心と理論的議論を呼んだ。当初の理論報告と比較すると、実験的研究は少なく、始まったばかりである。本研究では、研究チームは「マジックアングル」ねじれ二層グラフェンの透過率測定を実施し、関連する絶縁状態と超伝導状態を示した。
予想外に歪んだ角度0.93±0.01は、確立された「マジックアングル」より15％小さく、現在までに報告された最小の角度でもあり、超伝導特性を示しています。これらの結果は、新しい相関状態が、グラフェンの最初のマイクロストリップを超えた、主要な「マジックアングル」よりも低い「マジックアングル」ツイスト二層グラフェンで出現する可能性があることを示しています。これらの「マジックホーン」ツイスト二層グラフェンデバイスを構築するために、研究チームは「ティアアンドスタック」アプローチを使用しました。六方晶窒化ホウ素（BN）層間の構造はカプセル化されており、Cr / Au（クロム/金）エッジコンタクトに結合された複数のワイヤを備えたホールロッド形状にパターン化されています。「マジックアングル」ツイスト二層グラフェンデバイス全体は、バックゲートとして使用されるグラフェン層の上に製造されました。
科学者たちは、標準的な直流（DC）および交流（AC）ロック技術を用いて、ポンプ付きHE4およびHE3クライオスタット内のデバイスを測定しました。研究チームは、デバイスの縦方向抵抗（Rxx）と拡張ゲート電圧（VG）範囲の関係を記録し、1.7Kの温度における磁場Bを計算しました。小さな電子-正孔非対称性は、「マジックアングル」ねじれ二層グラフェンデバイスの固有の特性であることが観測されました。以前の報告で観察されたように、研究チームはこれらの結果を記録し、これまでに超伝導に関する報告を詳細に説明しました。特性的な「マジックアングル」は、二層グラフェンデバイスの最小ねじれ角をねじります。ランダウファンチャートを詳しく調べた結果、研究者たちはいくつかの注目すべき特徴を発見しました。
例えば、半分の充填量でのピークとランダウ準位の2倍の縮退は、これまで観測されてきたモーメントのような絶縁状態と一致している。研究チームは、近似スピンバレーSU(4)の対称性の破れと、新しい準粒子フェルミ面の形成を示した。しかし、詳細はより詳細な調査が必要である。また、以前の研究と同様に、Rxx（縦抵抗）を増加させる超伝導の出現も観測された。研究チームは次に、超伝導相の臨界温度（Tc）を調べた。このサンプルでは超伝導体の最適ドーピングに関するデータが得られなかったため、科学者たちは臨界温度を0.5Kまでと仮定した。ただし、これらのデバイスは、超伝導状態から明確なデータが得られるまで効果がない。超伝導状態をさらに調査するために、研究者らは、さまざまなキャリア密度でデバイスの4端子電圧-電流（VI）特性を測定した。
得られた抵抗は、より広い密度範囲で超電流が観測されていることを示しており、平行磁場を印加すると超電流が抑制されることを示しています。研究で観察された挙動に関する洞察を得るため、研究者らは、ビストリッツァー・マクドナルドモデルと改良されたパラメータを用いて、「マジックアングル」ねじれ二層グラフェンデバイスのモアレバンド構造を計算しました。「マジックアングル」角度の以前の計算と比較して、計算された低エネルギーモアレバンドは高エネルギーバンドから分離されていません。デバイスのねじれ角は他の場所で計算された「マジックアングル」角度よりも小さいですが、デバイスは以前の研究（モート絶縁体と超伝導体）と強く関連する現象を示し、物理学者はこれが予想外で実現可能であることを発見しました。
大きな密度（各エネルギーで利用可能な状態の数）での挙動をさらに評価した後、科学者によって観察された特性は、新たに出現した関連する絶縁状態に起因することがわかりました。今後、状態密度（DOS）のより詳細な研究が行われ、絶縁体の奇妙な状態を理解し、量子スピン液体として分類できるかどうかが判断されます。このようにして、科学者は小さなねじれ角（0.93°）のねじれ二層グラフェンデバイスで、Moxのような絶縁体状態に近い超伝導を観察しました。この研究は、そのような小さな角度と高密度であっても、電子相関がモアレの特性に与える影響は同じであることを示しています。今後は、絶縁相のスピンバレーについて研究し、より低温での新しい超伝導相を研究します。実験研究と理論的な取り組みを組み合わせて、この挙動の原因を理解します。
投稿日時: 2019年10月8日