Obnašanje Mohrovih črt in ravnih pasov v znanosti in kvantni fiziki, imenovanih "Magični kot" zasukanega dvoslojnega grafena (TBLG), je pritegnilo veliko zanimanje znanstvenikov, čeprav se številne lastnosti soočajo z burnimi razpravami. V novi študiji, objavljeni v reviji Science Progress, so Emilio Colledo in znanstveniki z Oddelka za fiziko in materiale v Združenih državah Amerike in na Japonskem opazovali superprevodnost in analogijo v zasukanem dvoslojnem grafenu. Mottovo izolatorsko stanje ima kot zasuka približno 0,93 stopinje. Ta kot je 15 % manjši od kota "magičnega kota" (1,1°), izračunanega v prejšnji študiji. Ta študija kaže, da je območje "magičnega kota" zasukanega dvoslojnega grafena večje, kot je bilo prej pričakovano.
Ta študija ponuja bogastvo novih informacij za dešifriranje močnih kvantnih pojavov v zasukanem dvoslojnem grafenu za uporabo v kvantni fiziki. Fiziki opredeljujejo »Twistroniko« kot relativni kot zasuka med sosednjima van der Waalsovima plastema, ki ustvarjata moiré in ravne pasove v grafenu. Ta koncept je postal nova in edinstvena metoda za znatno spreminjanje in prilagajanje lastnosti naprav, ki temeljijo na dvodimenzionalnih materialih, za doseganje pretoka toka. Izjemen učinek »Twistronike« je bil ponazorjen v pionirskem delu raziskovalcev, ki so pokazali, da se pri zlaganju dveh enoslojnih grafenskih plasti pod »magičnim kotom« zasuka θ=1,1±0,1° pojavi zelo raven pas.
V tej študiji je bila v zasukanem dvoslojnem grafenu (TBLG) izolacijska faza prvega mikrotraka (strukturne značilnosti) supermreže pri "magičnem kotu" delno zapolnjena. Raziskovalna skupina je ugotovila, da gre za Mott-ov izolator (izolator s superprevodnimi lastnostmi), ki kaže superprevodnost pri nekoliko višjih in nižjih ravneh dopiranja. Fazni diagram prikazuje visokotemperaturni superprevodnik med temperaturo superprevodnega prehoda (Tc) in Fermijevo temperaturo (Tf). Ta raziskava je povzročila veliko zanimanje in teoretično razpravo o strukturi grafenskih pasov, topologiji in dodatnih polprevodniških sistemih "magični kot". V primerjavi s prvotnim teoretičnim poročilom so eksperimentalne raziskave redke in so se šele začele. V tej študiji je skupina izvedla meritve prenosa na zasukanem dvoslojnem grafenu "magični kot", ki so pokazale ustrezna izolacijska in superprevodna stanja.
Nepričakovano popačen kot 0,93 ± 0,01, ki je 15 % manjši od uveljavljenega »magičnega kota«, je tudi najmanjši doslej zabeleženi kot in kaže superprevodne lastnosti. Ti rezultati kažejo, da se lahko novo korelacijsko stanje pojavi v zasukanem dvoslojnem grafenu »Magični kot«, nižje od primarnega »magičnega kota«, onkraj prvega mikrotraka grafena. Za izdelavo teh zasukanih dvoslojnih grafenskih naprav »čarobni rog« je ekipa uporabila pristop »trganja in zlaganja«. Struktura med heksagonalnimi plastmi borovega nitrida (BN) je enkapsulirana; oblikovana v geometrijo Hallove palice z več žicami, povezanimi z robnimi stiki Cr/Au (krom/zlato). Celotna zasukana dvoslojna grafenska naprava »Magični kot« je bila izdelana na vrhu grafenske plasti, ki se uporablja kot zadnja vrata.
Znanstveniki uporabljajo standardne tehnike zaklepanja z enosmernim (DC) in izmeničnim (AC) tokom za merjenje naprav v kriostatih HE4 in HE3 s črpanjem. Ekipa je zabeležila razmerje med vzdolžno upornostjo naprave (Rxx) in razširjenim območjem napetosti na vratih (VG) ter izračunala magnetno polje B pri temperaturi 1,7 K. Ugotovljeno je bilo, da je majhna asimetrija elektronov in lukenj inherentna lastnost zasukane dvoslojne grafenske naprave »Magični kot«. Kot je bilo ugotovljeno v prejšnjih poročilih, je ekipa zabeležila te rezultate in podrobno opisala poročila, ki so bila do sedaj superprevodna. Karakteristični »Magični kot« zasuka minimalni torzijski kot dvoslojne grafenske naprave. Z natančnejšim pregledom Landauovega pahljačastega diagrama so raziskovalci odkrili nekaj pomembnih značilnosti.
Na primer, vrh pri polovični zapolnitvi in dvakratna degeneracija Landauovega nivoja sta skladna s prej opaženimi momentom podobnimi izolacijskimi stanji. Ekipa je pokazala prekinitev simetrije približne spinske doline SU(4) in nastanek nove kvazi-delčne Fermijeve površine. Vendar pa podrobnosti zahtevajo podrobnejši pregled. Opazili so tudi pojav superprevodnosti, ki je povečala Rxx (vzdolžno upornost), podobno kot v prejšnjih študijah. Ekipa je nato preučila kritično temperaturo (Tc) superprevodne faze. Ker v tem vzorcu niso pridobili podatkov za optimalno dopiranje superprevodnikov, so znanstveniki predpostavili kritično temperaturo do 0,5 K. Vendar te naprave postanejo neučinkovite, dokler ne morejo pridobiti jasnih podatkov iz superprevodnega stanja. Za nadaljnjo raziskavo superprevodnega stanja so raziskovalci izmerili štiri-terminalne napetostno-tokovne (VI) karakteristike naprave pri različnih gostotah nosilcev.
Dobljena upornost kaže, da se supertok opazuje v večjem območju gostote in kaže na dušenje supertoka, ko se uporabi vzporedno magnetno polje. Da bi dobili vpogled v obnašanje, opaženo v študiji, so raziskovalci izračunali strukturo Moirjevega pasu zasukane dvoslojne grafenske naprave »Magični kot« z uporabo Bistritzer-MacDonaldovega modela in izboljšanih parametrov. V primerjavi s prejšnjim izračunom kota »Magični kot« izračunani nizkoenergijski Moirejev pas ni izoliran od visokoenergijskega pasu. Čeprav je kot zasuka naprave manjši od kota »magični kot«, izračunanega drugje, ima naprava pojav, ki je močno povezan s prejšnjimi študijami (Mortova izolacija in superprevodnost), za katerega so fiziki ugotovili, da je nepričakovan in izvedljiv.
Po nadaljnji oceni obnašanja pri velikih gostotah (število stanj, ki so na voljo pri vsaki energiji), so značilnosti, ki so jih opazili znanstveniki, pripisali novo nastalim povezanim izolacijskim stanjem. V prihodnosti bo izvedena podrobnejša študija gostote stanj (DOS), da bi razumeli nenavadno stanje izolacije in ugotovili, ali jih je mogoče uvrstiti med kvantne spinske tekočine. Na ta način so znanstveniki opazovali superprevodnost blizu Mox-podobnega izolacijskega stanja v zasukani dvoslojni grafenski napravi z majhnim kotom zasuka (0,93°). Ta študija kaže, da je vpliv elektronske korelacije na lastnosti moiréja enak tudi pri tako majhnih kotih in visokih gostotah. V prihodnosti bodo preučene spinske doline izolacijske faze, nova superprevodna faza pa bo preučevana pri nižji temperaturi. Eksperimentalne raziskave bodo združene s teoretičnimi prizadevanji za razumevanje izvora tega obnašanja.
Čas objave: 8. oktober 2019