Správanie Mohrových pruhov a plochých pásov vo vede a kvantovej fyzike nazývaných „magický uhol“ skrúteného dvojvrstvového grafénu (TBLG) pritiahlo veľký záujem vedcov, hoci mnohé vlastnosti čelia búrlivej diskusii. V novej štúdii publikovanej v časopise Science Progress Emilio Colledo a vedci z Katedry fyziky a materiálových vied v Spojených štátoch a Japonsku pozorovali supravodivosť a analógiu v skrútenom dvojvrstvovom graféne. Stav Mottovej izolácie má uhol skrútenia približne 0,93 stupňa. Tento uhol je o 15 % menší ako uhol „magického uhla“ (1,1°) vypočítaný v predchádzajúcej štúdii. Táto štúdia ukazuje, že rozsah „magického uhla“ skrúteného dvojvrstvového grafénu je väčší, ako sa pôvodne očakávalo.
Táto štúdia poskytuje množstvo nových informácií na dešifrovanie silných kvantových javov v skrútenom dvojvrstvovom graféne pre aplikácie v kvantovej fyzike. Fyzici definujú „Twistroniku“ ako relatívny uhol skrútenia medzi susednými van der Waalsovými vrstvami, čím sa vytvára moaré a ploché pásy v graféne. Tento koncept sa stal novou a jedinečnou metódou na výraznú zmenu a prispôsobenie vlastností zariadení založených na dvojrozmerných materiáloch na dosiahnutie toku prúdu. Pozoruhodný efekt „Twistroniky“ bol ilustrovaný v priekopníckej práci výskumníkov, ktorí demonštrovali, že keď sú dve jednovrstvové grafénové vrstvy naskladané pod „magickým uhlom“ skrútenia θ=1,1±0,1°, objaví sa veľmi plochý pás.
V tejto štúdii bola v skrútenom dvojvrstvovom graféne (TBLG) izolačná fáza prvého mikropásiku (štrukturálny prvok) supermriežky v „magickom uhle“ čiastočne vyplnená. Výskumný tím zistil, že ide o Mottův izolátor (izolátor so supravodivými vlastnosťami), ktorý vykazuje supravodivosť pri mierne vyšších a nižších úrovniach dopovania. Fázový diagram zobrazuje vysokoteplotný supravodič medzi teplotou supravodivého prechodu (Tc) a Fermiho teplotou (Tf). Tento výskum viedol k veľkému záujmu a teoretickej diskusii o štruktúre grafénu, topológii a ďalších polovodičových systémoch „magického uhla“. V porovnaní s pôvodnou teoretickou správou je experimentálny výskum zriedkavý a práve sa začal. V tejto štúdii tím vykonal merania prenosu na skrútenom dvojvrstvovom graféne v „magickom uhle“, ktoré ukazujú relevantné izolačné a supravodivé stavy.
Neočakávane zdeformovaný uhol 0,93 ± 0,01, ktorý je o 15 % menší ako zavedený „magický uhol“, je zároveň najmenším doteraz zaznamenaným uhlom a vykazuje supravodivé vlastnosti. Tieto výsledky naznačujú, že nový korelačný stav sa môže objaviť v skrútenom dvojvrstvovom graféne „Magický uhol“, nižšie ako primárny „magický uhol“, za prvým mikropásikom grafénu. Na zostavenie týchto skrútených dvojvrstvových grafénových zariadení „magický roh“ tím použil prístup „odtrhni a skladaj“. Štruktúra medzi hexagonálnymi vrstvami nitridu bóru (BN) je zapuzdrená; vzorovaná do geometrie Hallovej tyče s viacerými drôtmi spojenými s okrajovými kontaktmi Cr/Au (chróm/zlato). Celé skrútené dvojvrstvové grafénové zariadenie „Magický uhol“ bolo vyrobené na vrchu grafénovej vrstvy použitej ako zadná brána.
Vedci používajú štandardné techniky uzamykania jednosmerného (DC) a striedavého (AC) prúdu na meranie zariadení v čerpaných kryostatoch HE4 a HE3. Tím zaznamenal vzťah medzi pozdĺžnym odporom zariadenia (Rxx) a rozšíreným rozsahom hradlového napätia (VG) a vypočítal magnetické pole B pri teplote 1,7 K. Malá asymetria elektrónov a dier bola pozorovaná ako inherentná vlastnosť zariadenia s krúteným dvojvrstvovým grafénom „Magický uhol“. Ako bolo pozorované v predchádzajúcich správach, tím zaznamenal tieto výsledky a podrobne opísal správy, ktoré sa doteraz ukázali ako supravodivé. Charakteristický „Magický uhol“ krúti minimálny torzný uhol zariadenia s dvojvrstvovým grafénom. Pri bližšom skúmaní Landauovho vejárového diagramu výskumníci zistili niektoré pozoruhodné vlastnosti.
Napríklad vrchol pri polovičnom naplnení a dvojnásobná degenerácia Landauovej úrovne sú v súlade s predtým pozorovanými izolačnými stavmi podobnými momentu. Tím preukázal narušenie symetrie približného spinového údolia SU(4) a vznik nového kvázičasticového Fermiho povrchu. Detaily si však vyžadujú podrobnejšie preskúmanie. Pozoroval sa aj výskyt supravodivosti, ktorý zvýšil Rxx (pozdĺžny odpor), podobne ako v predchádzajúcich štúdiách. Tím potom skúmal kritickú teplotu (Tc) supravodivej fázy. Keďže v tejto vzorke neboli získané žiadne údaje o optimálnom dopovaní supravodičov, vedci predpokladali kritickú teplotu až 0,5 K. Tieto zariadenia sa však stávajú neúčinnými, kým nie sú schopné získať jasné údaje zo supravodivého stavu. Pre ďalšie skúmanie supravodivého stavu výskumníci merali charakteristiky napätia a prúdu (VI) na štyroch termináloch zariadenia pri rôznych hustotách nosičov náboja.
Získaný odpor ukazuje, že superprúd sa pozoruje vo väčšom rozsahu hustoty a ukazuje potlačenie superprúdu pri aplikácii paralelného magnetického poľa. Aby získali prehľad o správaní pozorovanom v štúdii, výskumníci vypočítali štruktúru Moirovho pásu skrúteného dvojvrstvového grafénu „Magický uhol“ pomocou modelu Bistritzer-MacDonald a vylepšených parametrov. V porovnaní s predchádzajúcim výpočtom uhla „Magický uhol“ nie je vypočítaný nízkoenergetický Moirov pás izolovaný od vysokoenergetického pásma. Hoci je uhol skrútenia zariadenia menší ako uhol „magického uhla“ vypočítaný inde, zariadenie vykazuje jav, ktorý silne súvisí s predchádzajúcimi štúdiami (Mortova izolácia a supravodivosť), ktorý fyzici považovali za neočakávaný a uskutočniteľný.
Po ďalšom vyhodnotení správania pri veľkých hustotách (počet stavov dostupných pre každú energiu) boli charakteristiky pozorované vedcami pripísané novovznikajúcim asociovaným izolačným stavom. V budúcnosti sa uskutoční podrobnejšia štúdia hustoty stavov (DOS), aby sa pochopil nepárny stav izolácie a určilo sa, či ich možno klasifikovať ako kvantové spinové kvapaliny. Vedci týmto spôsobom pozorovali supravodivosť v blízkosti Moxovho izolačného stavu v skrútenom dvojvrstvovom grafénovom zariadení s malým uhlom skrútenia (0,93°). Táto štúdia ukazuje, že aj pri takýchto malých uhloch a vysokých hustotách je vplyv elektrónovej korelácie na vlastnosti moaré rovnaký. V budúcnosti sa budú študovať spinové údolia izolačnej fázy a nová supravodivá fáza bude študovaná pri nižšej teplote. Experimentálny výskum sa spojí s teoretickým úsilím o pochopenie pôvodu tohto správania.
Čas uverejnenia: 8. októbra 2019