Het gedrag van Mohr-strepen en platte banden in de wetenschap en kwantumfysica, ook wel bekend als "magische hoek" gedraaid dubbellaags grafeen (TBLG), heeft grote belangstelling gewekt bij wetenschappers, hoewel veel eigenschappen onderwerp van verhitte discussie zijn. In een nieuwe studie, gepubliceerd in het tijdschrift Science Progress, observeerden Emilio Colledo en wetenschappers van de afdelingen Natuurkunde en Materiaalwetenschappen in de Verenigde Staten en Japan supergeleiding en analogieën in gedraaid dubbellaags grafeen. De Mott-isolatortoestand heeft een draaihoek van ongeveer 0,93 graden. Deze hoek is 15% kleiner dan de "magische hoek" (1,1°) die in een eerdere studie werd berekend. Deze studie toont aan dat het bereik van de "magische hoek" van gedraaid dubbellaags grafeen groter is dan eerder werd verwacht.
Deze studie levert een schat aan nieuwe informatie op voor het ontcijferen van de sterke kwantumfenomenen in gedraaid dubbellaags grafeen voor toepassingen in de kwantumfysica. Fysici definiëren "Twistronics" als de relatieve draaihoek tussen aangrenzende van der Waals-lagen die moiré- en vlakke banden in grafeen produceert. Dit concept is uitgegroeid tot een nieuwe en unieke methode om de eigenschappen van apparaten op basis van tweedimensionale materialen significant te veranderen en aan te passen om stroomdoorgang te realiseren. Het opmerkelijke effect van "Twistronics" werd geïllustreerd in het baanbrekende werk van de onderzoekers, waaruit bleek dat wanneer twee enkellaags grafeenlagen op elkaar worden gestapeld onder een "magische hoek" van θ = 1,1 ± 0,1°, een zeer vlakke band verschijnt.
In deze studie werd in gedraaid dubbellaags grafeen (TBLG) de isolerende fase van de eerste microstrip (structuurkenmerk) van het superrooster bij de "magische hoek" gedeeltelijk gevuld. Het onderzoeksteam stelde vast dat dit een Mott-isolator is (een isolator met supergeleidende eigenschappen) die supergeleiding vertoont bij iets hogere en lagere doteringsniveaus. Het fasediagram toont de hogetemperatuursupergeleider tussen de supergeleidende overgangstemperatuur (Tc) en de Fermi-temperatuur (Tf). Dit onderzoek leidde tot grote belangstelling en theoretisch debat over de bandstructuur, topologie en andere halfgeleidersystemen met de "magische hoek" van grafeen. In vergelijking met het oorspronkelijke theoretische rapport is experimenteel onderzoek schaars en staat het nog maar aan het begin. In deze studie voerde het team transmissiemetingen uit aan het gedraaid dubbellaags grafeen met de "magische hoek", waarbij de relevante isolerende en supergeleidende toestanden werden aangetoond.
Een onverwacht vervormde hoek van 0,93 ± 0,01, die 15% kleiner is dan de vastgestelde "magische hoek", is tevens de kleinste die tot nu toe is gerapporteerd en vertoont supergeleidende eigenschappen. Deze resultaten geven aan dat de nieuwe correlatietoestand kan verschijnen in het "magische hoek"-gedraaide dubbellaags grafeen, lager dan de primaire "magische hoek", voorbij de eerste microstrip van grafeen. Om deze "magische hoorn"-apparaten van gedraaid dubbellaags grafeen te bouwen, gebruikte het team een "scheur-en-stapel"-benadering. De structuur tussen de hexagonale boornitride (BN)-lagen wordt ingekapseld en gevormd tot een Hall-staafgeometrie met meerdere draden gekoppeld aan Cr/Au (chroom/goud) randcontacten. Het gehele "magische hoek"-apparaat van gedraaid dubbellaags grafeen werd vervaardigd bovenop de grafeenlaag die als achterpoort diende.
Wetenschappers gebruiken standaard gelijkstroom (DC) en wisselstroom (AC) vergrendelingstechnieken om apparaten te meten in gepompte HE4- en HE3-cryostaten. Het team registreerde de relatie tussen de longitudinale weerstand (Rxx) van het apparaat en het uitgebreide poortspanningsbereik (VG) en berekende het magnetische veld B bij een temperatuur van 1,7 K. Een kleine elektron-gat-asymmetrie bleek een inherente eigenschap te zijn van het apparaat met de "magische hoek" en gedraaide dubbellaags grafeen. Zoals in eerdere rapporten werd beschreven, registreerde het team deze resultaten en beschreef de tot nu toe gerapporteerde supergeleidende eigenschappen. De karakteristieke "magische hoek" zorgt voor de minimale torsiehoek van het dubbellaags grafeen. Door de Landau-waaiergrafiek nader te bestuderen, ontdekten de onderzoekers enkele opmerkelijke kenmerken.
De piek bij halfvulling en de tweevoudige degeneratie van het Landau-niveau komen bijvoorbeeld overeen met de eerder waargenomen momentachtige isolatietoestanden. Het team toonde een breuk in de symmetrie van de benaderde spinvallei SU(4) en de vorming van een nieuw quasi-deeltjes Fermi-oppervlak. De details vereisen echter nader onderzoek. Ook werd het ontstaan van supergeleiding waargenomen, wat leidde tot een toename van Rxx (longitudinale weerstand), vergelijkbaar met eerdere studies. Het team onderzocht vervolgens de kritische temperatuur (Tc) van de supergeleidende fase. Omdat er geen gegevens beschikbaar waren over de optimale dotering van supergeleiders in dit monster, gingen de wetenschappers uit van een kritische temperatuur van maximaal 0,5 K. Deze apparaten zijn echter onbruikbaar totdat er duidelijke gegevens over de supergeleidende toestand beschikbaar zijn. Om de supergeleidende toestand verder te onderzoeken, maten de onderzoekers de vierpuntsspanning-stroomkarakteristieken (VI-karakteristieken) van het apparaat bij verschillende ladingsdragerdichtheden.
De verkregen weerstand laat zien dat superstroom wordt waargenomen over een groter dichtheidsbereik en dat de superstroom wordt onderdrukt wanneer een parallel magnetisch veld wordt aangelegd. Om inzicht te krijgen in het waargenomen gedrag, berekenden de onderzoekers de Moiré-bandstructuur van het apparaat met de "magische hoek" en gedraaide dubbellaags grafeen met behulp van het Bistritzer-MacDonald-model en verbeterde parameters. In vergelijking met eerdere berekeningen van de "magische hoek" is de berekende Moiré-band met lage energie niet geïsoleerd van de band met hoge energie. Hoewel de draaihoek van het apparaat kleiner is dan de elders berekende "magische hoek", vertoont het apparaat een fenomeen dat sterk verband houdt met eerdere studies (Moiré-isolatie en supergeleiding), wat natuurkundigen onverwacht en plausibel vonden.
Na verdere evaluatie van het gedrag bij hoge dichtheden (het aantal beschikbare toestanden per energie), worden de door de wetenschappers waargenomen kenmerken toegeschreven aan de nieuw ontstane, geassocieerde isolatietoestanden. In de toekomst zal een gedetailleerder onderzoek naar de toestandsdichtheid (DOS) worden uitgevoerd om de oneven isolatietoestand te begrijpen en te bepalen of deze kan worden geclassificeerd als kwantumspinvloeistoffen. Op deze manier observeerden wetenschappers supergeleiding nabij de Mox-achtige isolerende toestand in een gedraaid dubbellaags grafeenapparaat met een kleine draaihoek (0,93°). Deze studie toont aan dat zelfs bij zulke kleine hoeken en hoge dichtheden het effect van elektronencorrelatie op de eigenschappen van moiré hetzelfde is. In de toekomst zullen de spinvalleien van de isolerende fase worden bestudeerd en zal een nieuwe supergeleidende fase bij een lagere temperatuur worden onderzocht. Experimenteel onderzoek zal worden gecombineerd met theoretische inspanningen om de oorsprong van dit gedrag te begrijpen.
Geplaatst op: 8 oktober 2019