科学と量子物理学における「魔法角」ねじれ二層グラフェン（TBLG）の挙動は、多くの特性が激しい議論の的となっているものの、科学者から大きな関心を集めている。科学誌「Science Progress」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・材料科学部門の科学者らは、ねじれ二層グラフェンで超伝導と類似性を観測した。モット絶縁体状態のねじれ角は約0.93度である。この角度は、以前の研究で計算された「魔法角」の角度（1.1°）よりも15%小さい。この研究は、ねじれ二層グラフェンの「魔法角」の範囲がこれまで予想されていたよりも大きいことを示している。
この研究は、量子物理学への応用に向けて、ねじれた二層グラフェンにおける強い量子現象を解明するための豊富な新しい情報を提供する。物理学者は、「ツイストロニクス」を、グラフェンにモアレとフラットバンドを生成するために隣接するファンデルワールス層間の相対的なねじれ角と定義している。この概念は、電流の流れを実現するために、二次元材料に基づいてデバイス特性を大幅に変更およびカスタマイズするための新しい独自の方法となっている。研究者らの先駆的な研究で、「ツイストロニクス」の注目すべき効果が実証されており、2つの単層グラフェン層を「魔法の角度」であるねじれ角θ=1.1±0.1°で積み重ねると、非常にフラットなバンドが現れる。
この研究では、ねじれ二層グラフェン（TBLG）において、「マジックアングル」におけ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性を示すモット絶縁体（超伝導特性を持つ絶縁体）であることを突き止めた。相図は、超伝導転移温度（Tc）とフェルミ温度（Tf）の間の高温超伝導体を示している。この研究は、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巻き起こした。元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。この研究では、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行い、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」よりも15%小さく、これまでに報告された中で最小であり、超伝導特性を示します。これらの結果は、新しい相関状態が、最初のマイクロストリップのグラフェンを超えて、主要な「マジックアングル」よりも低い「マジックアングル」ねじれ二層グラフェンに現れ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」ねじれ二層グラフェンデバイスを構築するために、チームは「引き裂いて積み重ねる」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、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」ねじれ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、ポンプ式 HE4 および HE3 クライオスタット内のデバイスを測定するために、標準的な直流 (DC) および交流 (AC) ロック技術を使用しています。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 の温度で磁場 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」ねじれた二層グラフェンデバイスの固有の特性であることが観察されました。以前のレポートで観察されたように、チームはこれらの結果を記録し、これまで超伝導であったレポートの詳細を明らかにしました。特徴的な「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ところ、研究者たちはいくつかの注目すべき特徴を得ました。
例えば、半充填時のピークとランダウ準位の二重縮退は、以前に観測され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。超伝導の出現も観測され、以前の研究と同様にRxx（縦方向抵抗）が増加した。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最大0.5Kと仮定した。しかし、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、研究者たちは異なる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。
得られた抵抗値は、超伝導電流がより広い密度範囲で観測され、平行磁場を印加すると超伝導電流が抑制されることを示している。研究で観測された挙動を理解するために、研究者らは、Bistritzer-MacDonald モデルと改良されたパラメータを使用して、「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た。以前の「マジックアングル」角の計算と比較すると、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ない。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」角よりも小さいが、このデバイスには、物理学者が予想外かつ実現可能だと考えた、以前の研究（モート絶縁と超伝導）と強く関連する現象がある。
高密度（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とされています。今後は、絶縁の奇数状態を理解し、それらが量子スピン液体として分類できるかどうかを判断するために、状態密度（DOS）のより詳細な研究が行われます。このようにして、科学者は、ねじれ角が小さい（0.93°）ねじれた二層グラフェンデバイスで、Moxのような絶縁状態に近い超伝導を観測しました。この研究は、このような小さな角度と高密度でも、電子相関がモアレの特性に及ぼす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が研究され、より低い温度で新しい超伝導相が研究されます。この挙動の起源を理解するために、実験的研究と理論的努力が組み合わされます。
投稿日時：2019年10月8日