O comportamento das faixas de Mohr e das faixas planas no grafeno bicamada torcido (TBLG), também conhecido como "ângulo mágico", tem atraído grande interesse da comunidade científica, embora muitas de suas propriedades ainda sejam alvo de intenso debate. Em um novo estudo publicado na revista Science Progress, Emilio Colledo e cientistas dos Departamentos de Física e Ciência dos Materiais dos Estados Unidos e do Japão observaram supercondutividade e propriedades análogas no grafeno bicamada torcido. O estado isolante de Mohr apresenta um ângulo de torção de aproximadamente 0,93 graus. Esse ângulo é 15% menor que o ângulo "mágico" (1,1°) calculado em estudos anteriores. Este estudo demonstra que a faixa do "ângulo mágico" do grafeno bicamada torcido é maior do que se esperava.
Este estudo fornece uma riqueza de novas informações para decifrar os fortes fenômenos quânticos no grafeno bicamada torcido para aplicações em física quântica. Os físicos definem "Twistronics" como o ângulo de torção relativo entre camadas adjacentes de van der Waals que produz padrões de moiré e bandas planas no grafeno. Esse conceito tornou-se um método novo e único para alterar e personalizar significativamente as propriedades de dispositivos baseados em materiais bidimensionais para obter fluxo de corrente. O notável efeito da "Twistronics" foi exemplificado no trabalho pioneiro dos pesquisadores, demonstrando que, quando duas camadas de grafeno monocamada são empilhadas em um ângulo de torção "mágico" de θ = 1,1 ± 0,1°, uma banda muito plana aparece.
Neste estudo, no grafeno bicamada torcido (TBLG), a fase isolante da primeira microfita (característica estrutural) da super-rede no “ângulo mágico” estava semi-preenchida. A equipe de pesquisa determinou que se trata de um isolante de Mott (um isolante com propriedades supercondutoras) que exibe supercondutividade em níveis de dopagem ligeiramente mais altos e mais baixos. O diagrama de fases mostra o supercondutor de alta temperatura entre a temperatura de transição supercondutora (Tc) e a temperatura de Fermi (Tf). Esta pesquisa despertou grande interesse e debate teórico sobre a estrutura de bandas do grafeno, a topologia e outros sistemas semicondutores de “ângulo mágico”. Comparada ao relatório teórico original, a pesquisa experimental é escassa e está apenas começando. Neste estudo, a equipe realizou medições de transmissão no grafeno bicamada torcido de “ângulo mágico”, mostrando os estados isolantes e supercondutores relevantes.
Um ângulo inesperadamente distorcido de 0,93 ± 0,01, 15% menor que o "Ângulo Mágico" estabelecido, é também o menor relatado até o momento e exibe propriedades supercondutoras. Esses resultados indicam que um novo estado de correlação pode surgir no grafeno bicamada torcido com "Ângulo Mágico", inferior ao "Ângulo Mágico" primário, além da primeira microfita de grafeno. Para construir esses dispositivos de grafeno bicamada torcido com formato de "chifre mágico", a equipe utilizou uma abordagem de "rasgar e empilhar". A estrutura entre as camadas hexagonais de nitreto de boro (BN) é encapsulada e padronizada em uma geometria de haste de Hall com múltiplos fios acoplados a contatos de borda de Cr/Au (cromo/ouro). Todo o dispositivo de grafeno bicamada torcido com "Ângulo Mágico" foi fabricado sobre a camada de grafeno utilizada como eletrodo de porta traseira.
Cientistas utilizaram técnicas padrão de sincronização de corrente contínua (CC) e corrente alternada (CA) para medir dispositivos em criostatos HE4 e HE3 bombeados. A equipe registrou a relação entre a resistência longitudinal do dispositivo (Rxx) e a faixa estendida de tensão de porta (VG), além de calcular o campo magnético B a uma temperatura de 1,7 K. Observou-se que uma pequena assimetria elétron-buraco é uma propriedade inerente ao dispositivo de grafeno bicamada torcido com "Ângulo Mágico". Conforme observado em relatórios anteriores, a equipe registrou esses resultados e detalhou os dispositivos supercondutores obtidos até o momento. O "Ângulo Mágico" característico representa o ângulo de torção mínimo do dispositivo de grafeno bicamada. Com uma análise mais detalhada do diagrama de Landau, os pesquisadores obtiveram algumas características notáveis.
Por exemplo, o pico na metade do preenchimento e a degenerescência dupla do nível de Landau são consistentes com os estados isolantes do tipo Moment observados anteriormente. A equipe demonstrou uma quebra na simetria do vale de spin aproximado SU(4) e a formação de uma nova superfície de Fermi de quase-partículas. No entanto, os detalhes requerem uma análise mais aprofundada. O surgimento da supercondutividade também foi observado, com aumento da resistência longitudinal (Rxx), similar a estudos anteriores. A equipe então examinou a temperatura crítica (Tc) da fase supercondutora. Como não foram obtidos dados para a dopagem ideal de supercondutores nesta amostra, os cientistas assumiram uma temperatura crítica de até 0,5 K. Contudo, esses dispositivos tornam-se ineficazes até que se consiga obter dados claros do estado supercondutor. Para investigar mais a fundo o estado supercondutor, os pesquisadores mediram as características de tensão-corrente (VI) de quatro terminais do dispositivo em diferentes densidades de portadores.
A resistência obtida demonstra que a supercorrente é observada em uma faixa de densidade maior e mostra a supressão da supercorrente quando um campo magnético paralelo é aplicado. Para compreender o comportamento observado no estudo, os pesquisadores calcularam a estrutura de bandas de Moir do dispositivo de grafeno bicamada torcido de "ângulo mágico" usando o modelo de Bistritzer-MacDonald e parâmetros aprimorados. Comparada ao cálculo anterior do ângulo de "ângulo mágico", a banda de Moir de baixa energia calculada não está isolada da banda de alta energia. Embora o ângulo de torção do dispositivo seja menor que o ângulo de "ângulo mágico" calculado em outros estudos, o dispositivo apresenta um fenômeno fortemente relacionado a estudos anteriores (isolamento de Moir e supercondutividade), que os físicos consideraram inesperado e plausível.
Após uma avaliação mais aprofundada do comportamento em altas densidades (o número de estados disponíveis em cada energia), as características observadas pelos cientistas foram atribuídas aos novos estados isolantes associados que surgiram. No futuro, um estudo mais detalhado da densidade de estados (DOS) será conduzido para compreender o estado isolante atípico e determinar se ele pode ser classificado como um líquido de spin quântico. Dessa forma, os cientistas observaram supercondutividade próxima ao estado isolante do tipo Mox em um dispositivo de grafeno bicamada torcido com um pequeno ângulo de torção (0,93°). Este estudo mostra que, mesmo em ângulos tão pequenos e altas densidades, o efeito da correlação eletrônica nas propriedades do padrão de moiré permanece o mesmo. No futuro, os vales de spin da fase isolante serão estudados, e uma nova fase supercondutora será investigada em uma temperatura mais baixa. A pesquisa experimental será combinada com esforços teóricos para compreender a origem desse comportamento.
Data da publicação: 08/10/2019