Поведение полос Мора и плоских ремней в науке о науке и квантовой физике под названием «магический угол» скрученного двухслойного графена (TBLG) привлекло большой интерес ученых, хотя многие свойства вызывают жаркие споры. В новом исследовании, опубликованном в журнале Science Progress, Эмилио Колледо и ученые из Департамента физики и материаловедения в США и Японии наблюдали сверхпроводимость и аналогию в скрученном двухслойном графене. Состояние изолятора Мотта имеет угол скручивания около 0,93 градуса. Этот угол на 15% меньше угла «магического угла» (1,1°), рассчитанного в предыдущем исследовании. Это исследование показывает, что диапазон «магического угла» скрученного двухслойного графена больше, чем предполагалось ранее.
Это исследование предоставляет массу новой информации для расшифровки сильных квантовых явлений в скрученном двухслойном графене для приложений в квантовой физике. Физики определяют «твистронику» как относительный угол закручивания между соседними слоями Ван-дер-Ваальса для создания муара и плоских полос в графене. Эта концепция стала новым и уникальным методом для значительного изменения и настройки свойств устройств на основе двумерных материалов для достижения протекания тока. Замечательный эффект «твистроники» был продемонстрирован в новаторской работе исследователей, продемонстрировавших, что когда два однослойных слоя графена укладываются друг на друга под углом закручивания «магического угла» θ=1,1±0,1°, появляется очень плоская полоса.
В этом исследовании в скрученном двухслойном графене (TBLG) изолирующая фаза первой микрополоски (структурная особенность) сверхрешетки в «магическом угле» была полузаполнена. Исследовательская группа определила, что это изолятор Мотта (изолятор со сверхпроводящими свойствами), который проявляет сверхпроводимость при немного 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 дебаты по зонной структуре графена, топологии и дополнительным полупроводниковым системам «магического угла». По сравнению с исходным теоретическим отчетом экспериментальные исследования редки и только начались. В этом исследовании группа провела измерения пропускания на скрученном двухслойном графене «магического угла», показывающие соответствующие изолирующие и сверхпроводящие состояния.
Неожиданно искаженный угол 0,93 ± 0,01, что на 15% меньше установленного «волшебного угла», также является наименьшим из известных на сегодняшний день и демонстрирует сверхпроводящие свойства. Эти результаты указывают на то, что новое корреляционное состояние может появляться в скрученном двухслойном графене «волшебного угла», ниже первичного «волшебного угла», за пределами первой микрополоски графена. Чтобы построить эти скрученные двухслойные графеновые устройства «волшебного рога», команда использовала подход «разрыва и укладки». Структура между слоями гексагонального нитрида бора (BN) инкапсулирована; сформирована в геометрию стержня Холла с несколькими проводами, соединенными с краевыми контактами Cr/Au (хром/золото). Все скрученное двухслойное графеновое устройство «волшебного угла» было изготовлено поверх слоя графена, используемого в качестве заднего затвора.
Ученые используют стандартные методы блокировки постоянного тока (DC) и переменного тока (AC) для измерения устройств в накачиваемых криостатах HE4 и HE3. Команда записала соотношение между продольным сопротивлением устройства (Rxx) и расширенным диапазоном напряжения затвора (VG) и вычислила магнитное поле B при температуре 1,7 К. Было обнаружено, что небольшая асимметрия электронов и дырок является неотъемлемым свойством скрученного двухслойного графенового устройства «Magic Angle». Как отмечалось в предыдущих отчетах, команда записала эти результаты и подробно описала отчеты, которые были сверхпроводящими до сих пор. Характерный «Magic Angle» скручивает минимальный угол кручения двухслойного графенового устройства. При более внимательном изучении веерной диаграммы Ландау исследователи получили некоторые примечательные особенности.
Например, пик при половинном заполнении и двукратное вырождение уровня Ландау согласуются с ранее наблюдавшимися состояниями изоляции типа Moment. Команда показала нарушение симметрии приближенной спиновой долины SU(4) и образование новой квазичастичной поверхности Ферми. Однако детали требуют более детального изучения. Также наблюдалось появление сверхпроводимости, что увеличило Rxx (продольное сопротивление), аналогично предыдущим исследованиям. Затем команда исследовала критическую температуру (Tc) сверхпроводящей фазы. Поскольку не было получено данных для оптимального легирования сверхпроводников в этом образце, ученые предположили критическую температуру до 0,5 К. Однако эти устройства становятся неэффективными, пока они не смогут получить четкие данные из сверхпроводящего состояния. Для дальнейшего изучения сверхпроводящего состояния исследователи измерили четырехконтактные вольт-амперные (VI) характеристики устройства при различных плотностях носителей.
Полученное сопротивление показывает, что сверхток наблюдается в большем диапазоне плотности и показывает подавление сверхтока при приложении параллельного магнитного поля. Чтобы получить представление о поведении, наблюдаемом в исследовании, исследователи рассчитали структуру муаровой зоны скрученного двухслойного графенового устройства «Magic Angle», используя модель Бистрицера-Макдональда и улучшенные параметры. По сравнению с предыдущим расчетом угла «Magic Angle», рассчитанная низкоэнергетическая муаровая зона не изолирована от высокоэнергетической зоны. Хотя угол скручивания устройства меньше угла «magic angle», рассчитанного в другом месте, устройство обладает явлением, которое тесно связано с предыдущими исследованиями (изоляция Морта и сверхпроводимость), которое физики сочли неожиданным и осуществимым.
После дальнейшей оценки поведения при больших плотностях (количество состояний, доступных для каждой энергии), характеристики, наблюдаемые учеными, приписываются новым возникающим связанным состояниям изоляции. В будущем будет проведено более детальное исследование плотности состояний (DOS), чтобы понять странное состояние изоляции и определить, можно ли их классифицировать как квантовые спиновые жидкости. Таким образом, ученые наблюдали сверхпроводимость вблизи Mox-подобного изолирующего состояния в скрученном двухслойном графеновом устройстве с малым углом закручивания (0,93°). Это исследование показывает, что даже при таких малых углах и высоких плотностях влияние электронной корреляции на свойства муара одинаково. В будущем будут изучены спиновые долины изолирующей фазы, а также будет изучена новая сверхпроводящая фаза при более низкой температуре. Экспериментальные исследования будут объединены с теоретическими усилиями, чтобы понять происхождение этого поведения.
Время публикации: 08-окт. 2019 г.