Zachowanie pasów Mohra i płaskich pasów w nauce i fizyce kwantowej, zwane „magicznym kątem” skręconego grafenu dwuwarstwowego (TBLG), wzbudziło ogromne zainteresowanie naukowców, choć wiele jego właściwości jest przedmiotem zażartych dyskusji. W nowym badaniu opublikowanym w czasopiśmie „Science Progress”, Emilio Colledo i naukowcy z Wydziału Fizyki i Materiałoznawstwa Stanów Zjednoczonych i Japonii zaobserwowali nadprzewodnictwo i analogię w skręconym grafenie dwuwarstwowym. Stan izolatora Motta ma kąt skręcenia około 0,93 stopnia. Kąt ten jest o 15% mniejszy niż kąt „magicznego kąta” (1,1°) obliczony w poprzednim badaniu. Badanie to pokazuje, że zakres „magicznego kąta” skręconego grafenu dwuwarstwowego jest większy niż wcześniej oczekiwano.
Niniejsze badanie dostarcza mnóstwa nowych informacji na temat rozszyfrowania silnych zjawisk kwantowych w skręconym grafenie dwuwarstwowym, co może znaleźć zastosowanie w fizyce kwantowej. Fizycy definiują „twistronicę” jako względny kąt skręcenia między sąsiednimi warstwami van der Waalsa, który powoduje powstawanie mory i płaskich pasm w grafenie. Koncepcja ta stała się nową i unikalną metodą znaczącej zmiany i dostosowywania właściwości urządzeń opartych na materiałach dwuwymiarowych w celu uzyskania przepływu prądu. Niezwykły efekt „twistronicy” został zilustrowany pionierską pracą naukowców, którzy wykazali, że gdy dwie jednowarstwowe warstwy grafenu są ułożone pod kątem skręcenia „magicznego” θ = 1,1 ± 0,1°, pojawia się bardzo płaskie pasmo.
W niniejszym badaniu, w skręconym grafenie dwuwarstwowym (TBLG), faza izolacyjna pierwszego mikropaska (cecha strukturalna) nadsieci pod „magicznym kątem” była częściowo wypełniona. Zespół badawczy ustalił, że jest to izolator Motta (izolator o właściwościach nadprzewodzących), który wykazuje nadprzewodnictwo przy nieco wyższych i niższych poziomach domieszkowania. Diagram fazowy przedstawia nadprzewodnik wysokotemperaturowy pomiędzy temperaturą przejścia w stan nadprzewodzący (Tc) a temperaturą Fermiego (Tf). Badania te wywołały duże zainteresowanie i wywołały debatę teoretyczną na temat struktury pasm grafenu, topologii i dodatkowych układów półprzewodnikowych „magicznego kąta”. W porównaniu z oryginalnym raportem teoretycznym, badania eksperymentalne są rzadkie i dopiero się rozpoczęły. W niniejszym badaniu zespół przeprowadził pomiary transmisji na skręconym „magicznym kącie” grafenie dwuwarstwowym, pokazując istotne stany izolacyjne i nadprzewodzące.
Nieoczekiwanie zniekształcony kąt wynoszący 0,93 ± 0,01, który jest o 15% mniejszy od ustalonego „kąta magicznego”, jest również najmniejszym odnotowanym do tej pory i wykazuje właściwości nadprzewodzące. Wyniki te wskazują, że nowy stan korelacji może pojawić się w skręconym dwuwarstwowym grafenie „magicznym kątem”, niższym niż pierwotny „kąt magiczny”, poza pierwszym mikropaskiem grafenu. Aby zbudować te skręcone dwuwarstwowe urządzenia grafenowe „magicznego rogu”, zespół zastosował podejście „rozerwij i ułóż”. Struktura między heksagonalnymi warstwami azotku boru (BN) jest hermetyzowana; ukształtowana w geometrię pręta Halla z wieloma drutami sprzężonymi ze stykami krawędziowymi Cr/Au (chrom/złoto). Całe skręcone dwuwarstwowe urządzenie grafenowe „magicznego kąta” zostało wykonane na warstwie grafenu użytej jako tylna bramka.
Naukowcy wykorzystują standardowe techniki blokowania prądu stałego (DC) i przemiennego (AC) do pomiaru urządzeń w pompowanych kriostatach HE4 i HE3. Zespół zarejestrował zależność między oporem podłużnym urządzenia (Rxx) a rozszerzonym zakresem napięcia bramki (VG) i obliczył pole magnetyczne B w temperaturze 1,7 K. Zaobserwowano, że mała asymetria elektronowo-dziurowa jest nieodłączną właściwością urządzenia z dwuwarstwowego grafenu o skręconym kącie „Magic Angle”. Jak zaobserwowano w poprzednich raportach, zespół zarejestrował te wyniki i szczegółowo opisał dotychczasowe nadprzewodnictwo. Charakterystyczny „Magic Angle” skręca minimalny kąt skręcenia urządzenia z dwuwarstwowego grafenu. Dokładniejsza analiza wykresu wachlarza Landaua pozwoliła badaczom na odkrycie kilku istotnych cech.
Na przykład pik przy połowie wypełnienia i dwukrotna degeneracja poziomu Landaua są zgodne z wcześniej zaobserwowanymi stanami izolacji podobnymi do momentu. Zespół wykazał złamanie symetrii przybliżonej doliny spinowej SU(4) i powstanie nowej quasi-cząstkowej powierzchni Fermiego. Szczegóły wymagają jednak bardziej szczegółowej inspekcji. Zaobserwowano również pojawienie się nadprzewodnictwa, które zwiększyło Rxx (opór podłużny), podobnie jak w poprzednich badaniach. Zespół zbadał następnie temperaturę krytyczną (Tc) fazy nadprzewodzącej. Ponieważ nie uzyskano danych dla optymalnego domieszkowania nadprzewodników w tej próbce, naukowcy przyjęli temperaturę krytyczną do 0,5 K. Jednak te urządzenia stają się nieskuteczne, dopóki nie będą w stanie uzyskać wyraźnych danych ze stanu nadprzewodzącego. Aby dokładniej zbadać stan nadprzewodzący, naukowcy zmierzyli czterozaciskowe charakterystyki napięciowo-prądowe (VI) urządzenia przy różnych gęstościach nośników.
Uzyskany opór wskazuje na występowanie nadprądu w szerszym zakresie gęstości i tłumienie nadprądu po przyłożeniu równoległego pola magnetycznego. Aby zrozumieć zachowanie zaobserwowane w badaniu, naukowcy obliczyli strukturę pasma Moira w urządzeniu z dwuwarstwowego grafenu skręconego „Kąta Magicznego”, wykorzystując model Bistritzera-MacDonalda i ulepszone parametry. W porównaniu z poprzednimi obliczeniami kąta „Kąta Magicznego”, obliczone pasmo Moira dla niskiej energii nie jest odizolowane od pasma wysokoenergetycznego. Chociaż kąt skręcenia urządzenia jest mniejszy niż kąt „kąta magicznego” obliczony w innym miejscu, urządzenie charakteryzuje się zjawiskiem silnie powiązanym z wcześniejszymi badaniami (izolacja Morta i nadprzewodnictwo), które fizycy uznali za nieoczekiwane i wykonalne.
Po dalszej ocenie zachowania przy dużych gęstościach (liczba stanów dostępnych dla każdej energii), zaobserwowane przez naukowców cechy przypisuje się nowo powstającym, powiązanym stanom izolacyjnym. W przyszłości przeprowadzone zostaną bardziej szczegółowe badania gęstości stanów (DOS), aby zrozumieć nieparzyste stany izolacji i określić, czy można je sklasyfikować jako kwantowe ciecze spinowe. W ten sposób naukowcy zaobserwowali nadprzewodnictwo w pobliżu stanu izolacyjnego podobnego do Mox w skręconym dwuwarstwowym urządzeniu grafenowym o małym kącie skręcenia (0,93°). Badanie to pokazuje, że nawet przy tak małych kątach i wysokich gęstościach wpływ korelacji elektronowej na właściwości mory jest taki sam. W przyszłości zbadane zostaną doliny spinowe fazy izolacyjnej, a nowa faza nadprzewodząca zostanie zbadana w niższej temperaturze. Badania eksperymentalne będą połączone z wysiłkami teoretycznymi w celu zrozumienia pochodzenia tego zachowania.
Czas publikacji: 08-10-2019