Beteendet hos Mohr-ränder och platta bälten inom naturvetenskap och kvantfysik, kallat "Magic Angle" tvinnat dubbelskiktsgrafen (TBLG), har väckt stort intresse från forskare, även om många egenskaper är föremål för het debatt. I en ny studie publicerad i tidskriften Science Progress observerade Emilio Colledo och forskare vid institutionen för fysik och materialvetenskap i USA och Japan supraledning och analogi i tvinnat dubbelskiktsgrafen. Mott-isolatortillståndet har en vridningsvinkel på cirka 0,93 grader. Denna vinkel är 15 % mindre än den "magiska vinkel"-vinkeln (1,1°) som beräknades i den tidigare studien. Denna studie visar att det "magiska vinkel"-intervallet för tvinnat dubbelskiktsgrafen är större än tidigare förväntat.
Denna studie ger en mängd ny information för att dechiffrera de starka kvantfenomenen i tvinnad tvåskiktsgrafen för tillämpningar inom kvantfysik. Fysiker definierar "Twistronics" som den relativa vridningsvinkeln mellan intilliggande van der Waals-lager för att producera moiré- och platta band i grafen. Detta koncept har blivit en ny och unik metod för att avsevärt ändra och anpassa enhetsegenskaper baserat på tvådimensionella material för att uppnå strömflöde. Den anmärkningsvärda effekten av "Twistronics" exemplifierades i forskarnas banbrytande arbete, som visade att när två enkelskiktade grafenlager staplas med en "magisk vinkel" på θ=1,1 ± 0,1°, uppstår ett mycket platt band.
I denna studie, i den tvinnade tvåskiktsgrafenen (TBLG), var den isolerande fasen i den första mikroremsan (strukturella egenskapen) av supergittret vid den "magiska vinkeln" halvfylld. Forskargruppen fastställde att detta är en Mott-isolator (en isolator med supraledande egenskaper) som uppvisar supraledningsförmåga vid något högre och lägre dopningsnivåer. Fasdiagrammet visar högtemperatursupraledaren mellan den supraledande övergångstemperaturen (Tc) och Fermi-temperaturen (Tf). Denna forskning ledde till stort intresse och teoretisk debatt om grafenbandstruktur, topologi och ytterligare "Magic Angle"-halvledarsystem. Jämfört med den ursprungliga teoretiska rapporten är experimentell forskning sällsynt och har precis börjat. I denna studie utförde teamet transmissionsmätningar på den "magiska vinkeln"-tvinnade tvåskiktsgrafenen som visade de relevanta isolerande och supraledande tillstånden.
En oväntat förvrängd vinkel på 0,93 ± 0,01, vilket är 15 % mindre än den etablerade "Magic Angle", är också den minsta som rapporterats hittills och uppvisar supraledande egenskaper. Dessa resultat indikerar att det nya korrelationstillståndet kan uppstå i den "Magic Angle" tvinnade tvåskiktsgrafenen, lägre än den primära "magiska vinkeln", bortom den första mikroremsan av grafen. För att bygga dessa "magiska horn"-tvinnade tvåskiktsgrafenanordningar använde teamet en "riv-och-stapla"-metod. Strukturen mellan de hexagonala bornitrid (BN)-skikten är inkapslad; mönstrad till en Hall-stavgeometri med flera trådar kopplade till Cr/Au (krom/guld)-kantkontakter. Hela den "Magic Angle"-tvinnade tvåskiktsgrafenanordningen tillverkades ovanpå grafenskiktet som användes som bakgrind.
Forskare använder standardtekniker för likström (DC) och växelström (AC) för att mäta komponenter i pumpade HE4- och HE3-kryostater. Teamet registrerade förhållandet mellan komponentens longitudinella resistans (Rxx) och det utökade gatespänningsområdet (VG) och beräknade magnetfältet B vid en temperatur på 1,7 K. Liten elektronhålsasymmetri observerades vara en inneboende egenskap hos den "Magic Angle" tvinnade tvåskiktsgrafenkomponenten. Som observerats i tidigare rapporter registrerade teamet dessa resultat och detaljerade de rapporter som hittills har varit supraledande. Den karakteristiska "Magic Angle" vrider den minsta vridningsvinkeln för tvåskiktsgrafenkomponenten. Med en närmare granskning av Landau-fläktdiagrammet fann forskarna några anmärkningsvärda egenskaper.
Till exempel är toppen vid halvfyllning och den tvåfaldiga degenerationen av Landau-nivån förenliga med de tidigare observerade Moment-liknande isoleringstillstånden. Teamet visade ett brott i symmetrin hos den ungefärliga spinndalen SU(4) och bildandet av en ny kvasipartikelformad Fermi-yta. Detaljerna kräver dock en mer detaljerad inspektion. Uppkomsten av supraledning observerades också, vilket ökade Rxx (longitudinellt motstånd), i likhet med tidigare studier. Teamet undersökte sedan den kritiska temperaturen (Tc) för den supraledande fasen. Eftersom inga data erhölls för optimal dopning av supraledare i detta prov antog forskarna en kritisk temperatur på upp till 0,5 K. Dessa anordningar blir dock ineffektiva tills de kan erhålla tydliga data från det supraledande tillståndet. För att ytterligare undersöka det supraledande tillståndet mätte forskarna anordningens fyrterminala spännings-ström (VI) egenskaper vid olika bärvågstätheter.
Det erhållna resistanset visar att superström observeras över ett större densitetsområde och visar undertryckandet av superström när ett parallellt magnetfält appliceras. För att få insikt i det beteende som observerades i studien beräknade forskarna Moir-bandstrukturen för den "Magic Angle"-tvinnade tvåskiktsgrafenanordningen med hjälp av Bistritzer-MacDonald-modellen och förbättrade parametrar. Jämfört med den tidigare beräkningen av "Magic Angle"-vinkeln är det beräknade lågenergi-Moire-bandet inte isolerat från högenergibandet. Även om anordningens vridvinkel är mindre än den "magiska vinkel"-vinkel som beräknats på annat håll, har anordningen ett fenomen som är starkt relaterat till tidigare studier (Mort-isolering och supraledning), vilket fysiker funnit vara oväntat och genomförbart.
Efter ytterligare utvärdering av beteendet vid höga densiteter (antalet tillgängliga tillstånd för varje energi) tillskrivs de egenskaper som forskarna observerat de nyligen framväxande associerade isoleringstillstånden. I framtiden kommer en mer detaljerad studie av tillståndstäthet (DOS) att genomföras för att förstå de udda isoleringstillstånden och för att avgöra om de kan klassificeras som kvantspinnvätskor. På detta sätt observerade forskare supraledning nära det Mox-liknande isoleringstillståndet i en tvinnad tvåskiktsgrafenanordning med en liten vridningsvinkel (0,93°). Denna studie visar att även vid sådana små vinklar och höga densiteter är effekten av elektronkorrelation på moiréens egenskaper densamma. I framtiden kommer spinndalarna i den isolerande fasen att studeras, och en ny supraledande fas kommer att studeras vid en lägre temperatur. Experimentell forskning kommer att kombineras med teoretiska ansträngningar för att förstå ursprunget till detta beteende.
Publiceringstid: 8 oktober 2019