Zachowanie pasów Mohra i płaskich pasów w nauce i fizyce kwantowej zwane „magicznym kątem” skręconego grafenu dwuwarstwowego (TBLG) wzbudziło duże zainteresowanie naukowców, chociaż wiele właściwości jest przedmiotem gorącej debaty. W nowym badaniu opublikowanym w czasopiśmie Science Progress, Emilio Colledo i naukowcy z Wydziału Fizyki i Nauki o Materiałach w Stanach 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 do rozszyfrowania silnych zjawisk kwantowych w skręconym dwuwarstwowym grafenie do zastosowań w fizyce kwantowej. Fizycy definiują „Twistronics” jako względny kąt skręcenia między sąsiednimi warstwami van der Waalsa w celu wytworzenia mory i płaskich pasm w grafenie. Ta koncepcja stała się nową i unikalną metodą znaczącej zmiany i dostosowywania właściwości urządzeń w oparciu o dwuwymiarowe materiały w celu uzyskania przepływu prądu. Niezwykły efekt „Twistronics” został zilustrowany w pionierskiej pracy badaczy, wykazując, że gdy dwie jednowarstwowe warstwy grafenu są ułożone pod kątem skręcenia „magicznego kąta” θ=1,1±0,1°, pojawia się bardzo płaski pas. .
W tym badaniu w skręconym dwuwarstwowym grafenie (TBLG) faza izolacyjna pierwszego mikropaska (cecha strukturalna) supersieci 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 między temperaturą przejścia w stan nadprzewodzący (Tc) a temperaturą Fermiego (Tf). Badania te wywołały duże zainteresowanie i teoretyczną debatę 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 tym badaniu zespół przeprowadził pomiary transmisji na skręconym dwuwarstwowym grafenie pod „magicznym kątem”, pokazując odpowiednie stany izolacyjne i nadprzewodzące.
Niespodziewanie zniekształcony kąt 0,93 ± 0,01, który jest o 15% mniejszy od ustalonego „Magic Angle”, jest również najmniejszym zgłoszonym do tej pory i wykazuje właściwości nadprzewodzące. Wyniki te wskazują, że nowy stan korelacji może pojawić się w „Magic Angle” skręconym dwuwarstwowym grafenie, niższym niż pierwotny „magiczny kąt”, poza pierwszym mikropaskiem grafenu. Aby zbudować te „magic horn” skręcone dwuwarstwowe urządzenia grafenowe, zespół zastosował podejście „rozerwij i ułóż”. Struktura między heksagonalnymi warstwami azotku boru (BN) jest zamknięta; uformowana w geometrię pręta Halla z wieloma przewodami sprzężonymi ze stykami krawędziowymi Cr/Au (chrom/złoto). Całe skręcone dwuwarstwowe urządzenie grafenowe „Magic Angle” zostało wykonane na wierzchu warstwy grafenu używanej 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 związek 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 skręconego „Magic Angle”. Jak zaobserwowano w poprzednich raportach, zespół zarejestrował te wyniki i szczegółowo opisał raporty, które do tej pory były nadprzewodzące. Charakterystyczny „Magic Angle” skręca minimalny kąt skręcenia urządzenia z dwuwarstwowego grafenu. Dzięki dokładniejszemu zbadaniu wykresu wachlarza Landaua naukowcy uzyskali kilka godnych uwagi cech.
Na przykład szczyt przy połowie wypełnienia i dwukrotna degeneracja poziomu Landaua są zgodne z wcześniej zaobserwowanymi stanami izolacji podobnymi do Moment. Zespół wykazał złamanie symetrii przybliżonej doliny spinowej SU(4) i powstanie nowej quasi-cząstkowej powierzchni Fermiego. Jednak szczegóły wymagają bardziej szczegółowej inspekcji. Zaobserwowano również pojawienie się nadprzewodnictwa, które zwiększyło Rxx (oporność wzdłużną), podobnie jak w poprzednich badaniach. Następnie zespół zbadał temperaturę krytyczną (Tc) fazy nadprzewodzącej. Ponieważ nie uzyskano danych dotyczących optymalnego domieszkowania nadprzewodników w tej próbce, naukowcy założyli temperaturę krytyczną do 0,5 K. Jednak urządzenia te stają się nieskuteczne, dopóki nie będą w stanie uzyskać wyraźnych danych ze stanu nadprzewodzącego. Aby dokładniej zbadać stan nadprzewodzący, naukowcy zmierzyli czterozaciskowe charakterystyki napięcia i prądu (VI) urządzenia przy różnych gęstościach nośników.
Uzyskany opór pokazuje, że superprąd jest obserwowany w większym zakresie gęstości i pokazuje tłumienie superprądu, gdy przyłożone jest równoległe pole magnetyczne. Aby uzyskać wgląd w zachowanie zaobserwowane w badaniu, naukowcy obliczyli strukturę pasma Moira urządzenia grafenu dwuwarstwowego skręconego „Magic Angle” przy użyciu modelu Bistritzera-MacDonalda i ulepszonych parametrów. W porównaniu z poprzednim obliczeniem kąta „Magic Angle”, obliczone pasmo Moire’a o niskiej energii nie jest izolowane od pasma o wysokiej energii. Chociaż kąt skręcenia urządzenia jest mniejszy niż kąt „magicznego kąta” obliczony gdzie indziej, urządzenie ma zjawisko, które jest ściśle związane z poprzednimi 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), cechy zaobserwowane przez naukowców przypisuje się nowo powstającym powiązanym stanom izolacyjnym. W przyszłości przeprowadzone zostaną bardziej szczegółowe badania gęstości stanów (DOS), aby zrozumieć nieparzysty stan izolacji i ustalić, 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 dużych gęstościach wpływ korelacji elektronowej na właściwości mory jest taki sam. W przyszłości zostaną zbadane doliny spinowe fazy izolacyjnej, a nowa faza nadprzewodząca zostanie zbadana w niższej temperaturze. Badania eksperymentalne zostaną połączone z wysiłkami teoretycznymi w celu zrozumienia pochodzenia tego zachowania.
Czas publikacji: 08-paź-2019