Поведение полос Мора и плоских полос в науке и квантовой физике, называемых «магическим углом» скрученного двухслойного графена (TBLG), привлекло большое внимание ученых, хотя многие свойства вызывают жаркие споры. В новом исследовании, опубликованном в журнале Science Progress, Эмилио Колледо и ученые из Департамента физики и материаловедения США и Японии наблюдали сверхпроводимость и аналогии в скрученном двухслойном графене. В состоянии изолятора Мотта угол скручивания составляет около 0,93 градуса. Этот угол на 15% меньше, чем угол «магического угла» (1,1°), рассчитанный в предыдущем исследовании. Данное исследование показывает, что диапазон «магического угла» скрученного двухслойного графена шире, чем предполагалось ранее.
Это исследование предоставляет множество новой информации для расшифровки сильных квантовых явлений в скрученном двухслойном графене для применения в квантовой физике. Физики определяют «твистронику» как относительный угол скручивания между соседними слоями Ван дер Ваальса, приводящий к образованию муаровых и плоских полос в графене. Эта концепция стала новым и уникальным методом для существенного изменения и настройки свойств устройств на основе двумерных материалов для достижения протекания тока. Замечательный эффект «твистроники» был продемонстрирован в новаторской работе исследователей, показавших, что при укладке двух однослойных графеновых слоев под «магическим углом» скручивания θ = 1,1 ± 0,1° появляется очень плоская полоса.
В данном исследовании в скрученном двухслойном графене (TBLG) изоляционная фаза первой микрополоски (структурная особенность) сверхрешетки под «магическим углом» была частично заполнена. Исследовательская группа определила, что это изолятор Мотта (изолятор со сверхпроводящими свойствами), проявляющий сверхпроводимость при несколько более высоких и более низких уровнях легирования. Фазовая диаграмма показывает высокотемпературный сверхпроводник между температурой сверхпроводящего перехода (Tc) и температурой Ферми (Tf). Это исследование вызвало большой интерес и теоретические дискуссии о зонной структуре графена, топологии и других полупроводниковых системах под «магическим углом». По сравнению с первоначальным теоретическим отчетом, экспериментальные исследования редки и только начинаются. В этом исследовании группа провела измерения пропускания в скрученном двухслойном графене под «магическим углом», демонстрирующие соответствующие изоляционные и сверхпроводящие состояния.
Неожиданно искаженный угол 0,93 ± 0,01, который на 15% меньше установленного «магического угла», также является самым маленьким из зарегистрированных на сегодняшний день и демонстрирует сверхпроводящие свойства. Эти результаты указывают на то, что новое корреляционное состояние может появиться в скрученном двухслойном графене с «магическим углом», ниже первичного «магического угла», за пределами первой микрополоски графена. Для создания этих устройств на основе скрученного двухслойного графена с «магическим рогом» команда использовала подход «разрыв и укладка». Структура между гексагональными слоями нитрида бора (BN) инкапсулируется; формируется геометрия холловского стержня с множеством проводов, соединенных с краевыми контактами Cr/Au (хром/золото). Все устройство на основе скрученного двухслойного графена с «магическим углом» было изготовлено поверх слоя графена, используемого в качестве заднего затвора.
Ученые использовали стандартные методы синхронизации постоянного (DC) и переменного (AC) тока для измерения параметров устройств в криостатах HE4 и HE3 с накачкой. Группа исследователей зафиксировала зависимость продольного сопротивления устройства (Rxx) от расширенного диапазона напряжения затвора (VG) и рассчитала магнитное поле B при температуре 1,7 К. Было обнаружено, что небольшая электронно-дырочная асимметрия является неотъемлемым свойством устройства на основе скрученного двухслойного графена с «магическим углом». Как и в предыдущих отчетах, группа исследователей зафиксировала эти результаты и подробно описала сверхпроводящие свойства, наблюдаемые до настоящего времени. Характерный «магический угол» определяет минимальный угол кручения двухслойного графенового устройства. При более детальном изучении диаграммы Ландау исследователи обнаружили некоторые примечательные особенности.
Например, пик при половинном заполнении и двукратное вырождение уровня Ландау согласуются с ранее наблюдаемыми состояниями изоляции типа Момента. Команда продемонстрировала нарушение симметрии приблизительной спиновой долины SU(4) и образование новой квазичастичной поверхности Ферми. Однако детали требуют более детального изучения. Также наблюдалось появление сверхпроводимости, которая увеличила Rxx (продольное сопротивление), аналогично предыдущим исследованиям. Затем команда исследовала критическую температуру (Tc) сверхпроводящей фазы. Поскольку данные об оптимальном легировании сверхпроводников в этом образце не были получены, ученые предположили критическую температуру до 0,5 К. Однако эти устройства становятся неэффективными, пока не будут получены четкие данные о сверхпроводящем состоянии. Для дальнейшего исследования сверхпроводящего состояния исследователи измерили четырехконтактные вольт-амперные характеристики (VI) устройства при различных плотностях носителей заряда.
Полученное сопротивление показывает, что сверхток наблюдается в более широком диапазоне плотностей, и демонстрирует подавление сверхтока при приложении параллельного магнитного поля. Для понимания наблюдаемого в исследовании поведения исследователи рассчитали муаровую зонную структуру устройства на основе скрученного двухслойного графена с «магическим углом», используя модель Бистрицера-Макдональда и улучшенные параметры. По сравнению с предыдущим расчетом угла «магического угла», рассчитанная низкоэнергетическая муаровая полоса не изолирована от высокоэнергетической полосы. Хотя угол скручивания устройства меньше, чем угол «магического угла», рассчитанный в других работах, устройство демонстрирует явление, тесно связанное с предыдущими исследованиями (изоляция Морта и сверхпроводимость), которое физики сочли неожиданным и осуществимым.
После дальнейшей оценки поведения при больших плотностях (количество состояний, доступных на каждой энергии) наблюдаемые учеными характеристики были отнесены к вновь возникающим ассоциированным изоляционным состояниям. В будущем будет проведено более детальное исследование плотности состояний (DOS) для понимания необычного состояния изоляции и определения, можно ли его классифицировать как квантовые спиновые жидкости. Таким образом, ученые наблюдали сверхпроводимость вблизи изоляционного состояния типа Мокса в скрученном двухслойном графеновом устройстве с малым углом скручивания (0,93°). Это исследование показывает, что даже при таких малых углах и высоких плотностях влияние электронной корреляции на свойства муара остается тем же. В будущем будут изучены спиновые долины изоляционной фазы, а также новая сверхпроводящая фаза при более низкой температуре. Экспериментальные исследования будут объединены с теоретическими изысканиями для понимания происхождения этого поведения.
Дата публикации: 08.10.2019