การนำไฟฟ้าแบบยิ่งยวดของกราฟีนนั้นน่าสนใจยิ่งกว่าเดิม! การค้นพบล่าสุด: ช่วงของ "มุมวิเศษ" ในกราฟีนนั้นกว้างกว่าที่คาดไว้

พฤติกรรมของแถบโมห์รและแถบแบนในวิทยาศาสตร์และฟิสิกส์ควอนตัมที่เรียกว่า “มุมวิเศษ” (Magic Angle) ในกราฟีนสองชั้นบิด (TBLG) ได้ดึงดูดความสนใจอย่างมากจากนักวิทยาศาสตร์ แม้ว่าคุณสมบัติหลายอย่างจะยังคงเป็นที่ถกเถียงกันอย่างร้อนแรงก็ตาม ในการศึกษาใหม่ที่ตีพิมพ์ในวารสาร Science Progress เอมิลิโอ คอลเลโด และนักวิทยาศาสตร์จากภาควิชาฟิสิกส์และวิทยาศาสตร์วัสดุในสหรัฐอเมริกาและญี่ปุ่น ได้สังเกตพบสภาพนำยิ่งยวดและความคล้ายคลึงกันในกราฟีนสองชั้นบิด สถานะฉนวนโมห์รมีมุมบิดประมาณ 0.93 องศา มุมนี้เล็กกว่ามุม “มุมวิเศษ” (1.1°) ที่คำนวณได้ในการศึกษาครั้งก่อนถึง 15% การศึกษานี้แสดงให้เห็นว่าช่วง “มุมวิเศษ” ของกราฟีนสองชั้นบิดนั้นกว้างกว่าที่คาดไว้ก่อนหน้านี้

งานวิจัยนี้ให้ข้อมูลใหม่มากมายสำหรับการถอดรหัสปรากฏการณ์ควอนตัมที่รุนแรงในกราฟีนสองชั้นบิดเกลียวเพื่อการประยุกต์ใช้ในฟิสิกส์ควอนตัม นักฟิสิกส์นิยาม "ทวิสโทรนิกส์" ว่าเป็นมุมบิดเกลียวสัมพัทธ์ระหว่างชั้นแวนเดอร์วาลส์ที่อยู่ติดกันเพื่อสร้างแถบมัวเรและแถบแบนในกราฟีน แนวคิดนี้ได้กลายเป็นวิธีการใหม่และไม่เหมือนใครสำหรับการเปลี่ยนแปลงและปรับแต่งคุณสมบัติของอุปกรณ์อย่างมีนัยสำคัญโดยใช้วัสดุสองมิติเพื่อให้เกิดการไหลของกระแสไฟฟ้า ผลกระทบที่น่าทึ่งของ "ทวิสโทรนิกส์" ได้รับการแสดงให้เห็นในงานบุกเบิกของนักวิจัย ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเมื่อกราฟีนชั้นเดียวสองชั้นซ้อนกันที่มุมบิดเกลียว "มุมวิเศษ" ที่ θ=1.1±0.1° จะปรากฏแถบแบนมาก

ในการศึกษาครั้งนี้ ในกราฟีนสองชั้นบิดเกลียว (TBLG) เฟสฉนวนของไมโครสตริปแรก (ลักษณะโครงสร้าง) ของซูเปอร์แลตติซที่ "มุมวิเศษ" นั้นถูกเติมเต็มบางส่วน ทีมวิจัยได้กำหนดว่านี่คือฉนวนมอตต์ (ฉนวนที่มีคุณสมบัติเป็นตัวนำยิ่งยวด) ที่แสดงคุณสมบัติเป็นตัวนำยิ่งยวดที่ระดับการเจือจางที่สูงและต่ำกว่าเล็กน้อย แผนภาพเฟสแสดงให้เห็นตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงระหว่างอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านเป็นตัวนำยิ่งยวด (Tc) และอุณหภูมิเฟอร์มิ (Tf) งานวิจัยนี้ก่อให้เกิดความสนใจและการถกเถียงทางทฤษฎีอย่างมากเกี่ยวกับโครงสร้างแถบพลังงาน โทโพโลยี และระบบเซมิคอนดักเตอร์ "มุมวิเศษ" เพิ่มเติมของกราฟีน เมื่อเปรียบเทียบกับรายงานทางทฤษฎีดั้งเดิม งานวิจัยเชิงทดลองนั้นหายากและเพิ่งเริ่มต้น ในการศึกษาครั้งนี้ ทีมงานได้ทำการวัดการส่งผ่านแสงบนกราฟีนสองชั้นบิดเกลียว "มุมวิเศษ" ซึ่งแสดงให้เห็นถึงสถานะฉนวนและตัวนำยิ่งยวดที่เกี่ยวข้อง

มุมบิดเบี้ยวที่ไม่คาดคิดที่ 0.93 ± 0.01 ซึ่งเล็กกว่า "มุมวิเศษ" ที่กำหนดไว้ถึง 15% ถือเป็นมุมที่เล็กที่สุดที่เคยมีการรายงานมา และแสดงคุณสมบัติการนำยิ่งยวด ผลลัพธ์เหล่านี้บ่งชี้ว่าสถานะความสัมพันธ์ใหม่สามารถปรากฏขึ้นในกราฟีนสองชั้นบิด "มุมวิเศษ" ได้ต่ำกว่า "มุมวิเศษ" หลัก และเลยไมโครสตริปกราฟีนแรกไป เพื่อสร้างอุปกรณ์กราฟีนสองชั้นบิด "เขาวิเศษ" เหล่านี้ ทีมงานใช้วิธี "ฉีกและซ้อน" โครงสร้างระหว่างชั้นโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม (BN) ถูกห่อหุ้ม และขึ้นรูปเป็นรูปทรงแท่งฮอลล์ที่มีสายไฟหลายเส้นเชื่อมต่อกับหน้าสัมผัสขอบ Cr/Au (โครเมียม/ทองคำ) อุปกรณ์กราฟีนสองชั้นบิด "มุมวิเศษ" ทั้งหมดถูกสร้างขึ้นบนชั้นกราฟีนที่ใช้เป็นเกตด้านหลัง

นักวิทยาศาสตร์ใช้เทคนิคการล็อกกระแสตรง (DC) และกระแสสลับ (AC) มาตรฐานในการวัดอุปกรณ์ในไครโอสแตท HE4 และ HE3 ที่มีการปั๊ม ทีมงานบันทึกความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานตามยาว (Rxx) ของอุปกรณ์กับช่วงแรงดันเกต (VG) ที่ขยายออกไป และคำนวณสนามแม่เหล็ก B ที่อุณหภูมิ 1.7K พบว่าความไม่สมมาตรของอิเล็กตรอน-โฮลขนาดเล็กเป็นคุณสมบัติโดยธรรมชาติของอุปกรณ์กราฟีนสองชั้นบิด "มุมวิเศษ" ดังที่สังเกตได้ในรายงานก่อนหน้านี้ ทีมงานได้บันทึกผลลัพธ์เหล่านี้และให้รายละเอียดเกี่ยวกับรายงานเกี่ยวกับการนำยิ่งยวดที่ผ่านมา มุมวิเศษที่เป็นลักษณะเฉพาะจะบิดมุมบิดขั้นต่ำของอุปกรณ์กราฟีนสองชั้น เมื่อตรวจสอบแผนภูมิพัดของแลนเดาอย่างละเอียด นักวิจัยก็ได้รับคุณสมบัติที่น่าสนใจบางประการ

ตัวอย่างเช่น จุดสูงสุดที่การเติมครึ่งหนึ่งและการเสื่อมสภาพสองเท่าของระดับแลนเดา สอดคล้องกับสถานะฉนวนคล้ายโมเมนต์ที่สังเกตได้ก่อนหน้านี้ ทีมงานแสดงให้เห็นถึงการแตกหักของสมมาตรของหุบเขาสปินโดยประมาณ SU(4) และการก่อตัวของพื้นผิวเฟอร์มิอนุภาคกึ่งใหม่ อย่างไรก็ตาม รายละเอียดต่างๆ จำเป็นต้องมีการตรวจสอบอย่างละเอียดมากขึ้น นอกจากนี้ยังพบการปรากฏของสภาพนำยิ่งยวด ซึ่งทำให้ Rxx (ความต้านทานตามยาว) เพิ่มขึ้น คล้ายกับการศึกษาครั้งก่อนๆ จากนั้นทีมงานได้ตรวจสอบอุณหภูมิวิกฤต (Tc) ของเฟสสภาพนำยิ่งยวด เนื่องจากไม่มีข้อมูลสำหรับการเจือจางที่เหมาะสมของตัวนำยิ่งยวดในตัวอย่างนี้ นักวิทยาศาสตร์จึงสันนิษฐานว่าอุณหภูมิวิกฤตสูงถึง 0.5K อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์เหล่านี้จะไม่มีประสิทธิภาพจนกว่าจะสามารถได้รับข้อมูลที่ชัดเจนจากสถานะสภาพนำยิ่งยวด เพื่อตรวจสอบสถานะสภาพนำยิ่งยวดเพิ่มเติม นักวิจัยได้วัดลักษณะแรงดัน-กระแส (VI) สี่ขั้วของอุปกรณ์ที่ความหนาแน่นของตัวนำที่แตกต่างกัน

ค่าความต้านทานที่ได้แสดงให้เห็นว่ากระแสยิ่งยวดเกิดขึ้นในช่วงความหนาแน่นที่กว้างขึ้น และแสดงให้เห็นถึงการยับยั้งกระแสยิ่งยวดเมื่อมีการใช้สนามแม่เหล็กขนาน เพื่อให้เข้าใจพฤติกรรมที่สังเกตได้ในการศึกษา นักวิจัยได้คำนวณโครงสร้างแถบมัวร์ของอุปกรณ์กราฟีนสองชั้นบิด "มุมวิเศษ" โดยใช้แบบจำลอง Bistritzer-MacDonald และพารามิเตอร์ที่ได้รับการปรับปรุง เมื่อเปรียบเทียบกับการคำนวณมุม "มุมวิเศษ" ก่อนหน้านี้ แถบมัวร์พลังงานต่ำที่คำนวณได้ไม่ได้แยกออกจากแถบพลังงานสูง แม้ว่ามุมบิดของอุปกรณ์จะเล็กกว่ามุม "มุมวิเศษ" ที่คำนวณได้จากที่อื่น อุปกรณ์นี้ก็มีปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องอย่างมากกับการศึกษาครั้งก่อนๆ (ฉนวนมัวร์และสภาพนำยิ่งยวด) ซึ่งนักฟิสิกส์พบว่าเป็นสิ่งที่คาดไม่ถึงและเป็นไปได้

หลังจากประเมินพฤติกรรมที่ความหนาแน่นสูง (จำนวนสถานะที่มีอยู่สำหรับแต่ละพลังงาน) เพิ่มเติมแล้ว ลักษณะที่นักวิทยาศาสตร์สังเกตได้นั้นเกิดจากสถานะฉนวนที่เกี่ยวข้องที่เกิดขึ้นใหม่ ในอนาคต จะมีการศึกษาความหนาแน่นของสถานะ (DOS) อย่างละเอียดมากขึ้น เพื่อทำความเข้าใจสถานะคี่ของฉนวนและเพื่อพิจารณาว่าสามารถจัดประเภทเป็นของเหลวสปินควอนตัมได้หรือไม่ ด้วยวิธีนี้ นักวิทยาศาสตร์สังเกตเห็นสภาพนำยิ่งยวดใกล้กับสถานะฉนวนแบบม็อกซ์ในอุปกรณ์กราฟีนสองชั้นบิดที่มีมุมบิดเล็กน้อย (0.93°) การศึกษานี้แสดงให้เห็นว่าแม้ในมุมเล็กๆ และความหนาแน่นสูง ผลกระทบของความสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนต่อคุณสมบัติของมัวเรก็ยังคงเหมือนเดิม ในอนาคต จะมีการศึกษาหุบเขาสปินของเฟสฉนวน และจะศึกษาเฟสนำยิ่งยวดใหม่ที่อุณหภูมิต่ำกว่า การวิจัยเชิงทดลองจะถูกรวมเข้ากับความพยายามทางทฤษฎีเพื่อทำความเข้าใจที่มาของพฤติกรรมนี้