กราฟีนมีคุณสมบัติเป็นตัวนำยิ่งยวดที่น่าสนใจยิ่งขึ้น! การค้นพบล่าสุด: ช่วงของ “มุมมหัศจรรย์” ในกราฟีนกว้างกว่าที่คาดไว้

พฤติกรรมของแถบ Mohr และแถบแบนในวิทยาศาสตร์และฟิสิกส์ควอนตัมที่เรียกว่ากราฟีนไบเลเยอร์บิด "มุมมหัศจรรย์" (TBLG) ได้ดึงดูดความสนใจจากนักวิทยาศาสตร์อย่างมาก แม้ว่าคุณสมบัติหลายอย่างจะต้องเผชิญกับการถกเถียงอย่างดุเดือดก็ตาม ในการศึกษาใหม่ที่ตีพิมพ์ในวารสาร Science Progress เอมีลิโอ คอลเลโดและนักวิทยาศาสตร์จากภาควิชาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์ในสหรัฐอเมริกาและญี่ปุ่นได้สังเกตสภาพนำยิ่งยวดและการเปรียบเทียบในกราฟีนไบเลเยอร์บิด สถานะฉนวน Mott มีมุมบิดประมาณ 0.93 องศา มุมนี้เล็กกว่ามุม "มุมมหัศจรรย์" (1.1°) ที่คำนวณได้ในการศึกษาครั้งก่อนถึง 15% การศึกษาครั้งนี้แสดงให้เห็นว่าช่วง "มุมมหัศจรรย์" ของกราฟีนไบเลเยอร์บิดนั้นกว้างกว่าที่คาดไว้ก่อนหน้านี้

การศึกษาครั้งนี้ให้ข้อมูลใหม่มากมายสำหรับการถอดรหัสปรากฏการณ์ควอนตัมที่แข็งแกร่งในกราฟีนสองชั้นบิดเพื่อการประยุกต์ใช้ในฟิสิกส์ควอนตัม นักฟิสิกส์กำหนดให้ "ทวิสทรอนิกส์" เป็นมุมบิดสัมพันธ์ระหว่างชั้นแวนเดอร์วาลส์ที่อยู่ติดกันเพื่อสร้างมัวเรและแถบแบนในกราฟีน แนวคิดนี้ได้กลายเป็นวิธีการใหม่และไม่ซ้ำใครในการเปลี่ยนแปลงและปรับแต่งคุณสมบัติของอุปกรณ์อย่างมีนัยสำคัญโดยอิงจากวัสดุสองมิติเพื่อให้เกิดการไหลของกระแสไฟฟ้า ผลกระทบอันน่าทึ่งของ "ทวิสทรอนิกส์" ได้รับการยกตัวอย่างในงานบุกเบิกของนักวิจัย ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเมื่อชั้นกราฟีนชั้นเดียวสองชั้นถูกวางซ้อนกันที่มุมบิด "มุมมหัศจรรย์" ที่ θ=1.1±0.1° แถบแบนมากจะปรากฏขึ้น

ในการศึกษาครั้งนี้ ในกราฟีนไบเลเยอร์บิด (TBLG) เฟสฉนวนของไมโครสตริปแรก (ลักษณะโครงสร้าง) ของซูเปอร์แลตทิซที่ "มุมมหัศจรรย์" ถูกเติมเต็มครึ่งหนึ่ง ทีมวิจัยได้กำหนดว่านี่คือฉนวน Mott (ฉนวนที่มีคุณสมบัติเป็นตัวนำยิ่งยวด) ที่แสดงสภาพตัวนำยิ่งยวดที่ระดับการเจือปนที่สูงขึ้นและต่ำลงเล็กน้อย ไดอะแกรมเฟสแสดงตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงระหว่างอุณหภูมิเปลี่ยนผ่านของตัวนำยิ่งยวด (Tc) และอุณหภูมิแฟร์มี (Tf) การวิจัยนี้ทำให้เกิดความสนใจอย่างมากและการโต้วาทีทางทฤษฎีเกี่ยวกับโครงสร้างแถบกราฟีน โทโพโลยี และระบบเซมิคอนดักเตอร์ "มุมมหัศจรรย์" เพิ่มเติม เมื่อเปรียบเทียบกับรายงานทางทฤษฎีดั้งเดิม การวิจัยเชิงทดลองนั้นหายากและเพิ่งเริ่มต้นขึ้น ในการศึกษาครั้งนี้ ทีมได้ดำเนินการวัดการส่งผ่านของกราฟีนไบเลเยอร์บิด "มุมมหัศจรรย์" โดยแสดงสถานะฉนวนและตัวนำยิ่งยวดที่เกี่ยวข้อง

มุมที่บิดเบี้ยวอย่างไม่คาดคิดที่ 0.93 ± 0.01 ซึ่งเล็กกว่า "มุมมหัศจรรย์" ที่กำหนดไว้ 15% ถือเป็นมุมที่เล็กที่สุดที่มีการรายงานจนถึงปัจจุบัน และแสดงคุณสมบัติตัวนำยิ่งยวด ผลลัพธ์เหล่านี้บ่งชี้ว่าสถานะความสัมพันธ์ใหม่สามารถปรากฏในกราฟีนไบเลเยอร์บิด "มุมมหัศจรรย์" ซึ่งต่ำกว่า "มุมมหัศจรรย์" หลัก เกินไมโครสตริปแรกของกราฟีน เพื่อสร้างอุปกรณ์กราฟีนไบเลเยอร์บิด "ฮอร์นมหัศจรรย์" เหล่านี้ ทีมงานได้ใช้แนวทาง "ฉีกและวางซ้อนกัน" โครงสร้างระหว่างชั้นโบรอนไนไตรด์ (BN) หกเหลี่ยมถูกห่อหุ้ม สร้างรูปแบบเป็นรูปทรงของแท่งฮอลล์โดยมีสายหลายเส้นเชื่อมกับหน้าสัมผัสขอบ Cr/Au (โครเมียม/ทอง) อุปกรณ์กราฟีนไบเลเยอร์บิด "มุมมหัศจรรย์" ทั้งหมดถูกประดิษฐ์ขึ้นบนชั้นกราฟีนที่ใช้เป็นเกตด้านหลัง

นักวิทยาศาสตร์ใช้เทคนิคการล็อกกระแสตรง (DC) และกระแสสลับ (AC) มาตรฐานเพื่อวัดอุปกรณ์ในไครโอสแตต HE4 และ HE3 ที่มีการสูบน้ำ ทีมได้บันทึกความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานตามยาว (Rxx) ของอุปกรณ์และช่วงแรงดันเกตที่ขยาย (VG) และคำนวณสนามแม่เหล็ก B ที่อุณหภูมิ 1.7K พบว่าความไม่สมมาตรของรูอิเล็กตรอนขนาดเล็กเป็นคุณสมบัติโดยธรรมชาติของอุปกรณ์กราฟีนแบบไบเลเยอร์บิด "มุมมหัศจรรย์" ตามที่สังเกตในรายงานก่อนหน้านี้ ทีมได้บันทึกผลลัพธ์เหล่านี้และรายงานโดยละเอียดเกี่ยวกับตัวนำยิ่งยวดจนถึงขณะนี้ "มุมมหัศจรรย์" อันเป็นลักษณะเฉพาะบิดมุมบิดขั้นต่ำของอุปกรณ์กราฟีนไบเลเยอร์ ด้วยการตรวจสอบแผนภูมิพัดลม Landau อย่างใกล้ชิด นักวิจัยได้ค้นพบคุณสมบัติที่โดดเด่นบางประการ

ตัวอย่างเช่น จุดสูงสุดเมื่อเติมครึ่งหนึ่งและความเสื่อมสองเท่าของระดับลันเดาสอดคล้องกับสถานะฉนวนแบบโมเมนต์ที่สังเกตไว้ก่อนหน้านี้ ทีมงานแสดงให้เห็นการแตกหักในสมมาตรของหุบเขาสปินโดยประมาณ SU(4) และการก่อตัวของพื้นผิวแฟร์มีแบบอนุภาคกึ่งใหม่ อย่างไรก็ตาม รายละเอียดต่างๆ ต้องการการตรวจสอบที่ละเอียดกว่านี้ นอกจากนี้ยังสังเกตเห็นการปรากฏตัวของสภาพนำไฟฟ้ายิ่งยวด ซึ่งทำให้ Rxx (ความต้านทานตามยาว) เพิ่มขึ้น ซึ่งคล้ายกับการศึกษาครั้งก่อนๆ จากนั้น ทีมงานจึงตรวจสอบอุณหภูมิวิกฤต (Tc) ของเฟสตัวนำยิ่งยวด เนื่องจากไม่ได้รับข้อมูลสำหรับการเจือปนตัวนำยิ่งยวดในตัวอย่างที่เหมาะสม นักวิทยาศาสตร์จึงสันนิษฐานว่าอุณหภูมิวิกฤตอยู่ที่ 0.5K อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์เหล่านี้จะไม่มีประสิทธิภาพจนกว่าจะสามารถรับข้อมูลที่ชัดเจนจากสถานะตัวนำยิ่งยวดได้ เพื่อตรวจสอบสถานะตัวนำยิ่งยวดเพิ่มเติม นักวิจัยได้วัดลักษณะแรงดันไฟฟ้า-กระแสไฟฟ้า (VI) สี่ขั้วของอุปกรณ์ที่ความหนาแน่นของพาหะที่แตกต่างกัน

ค่าความต้านทานที่ได้แสดงให้เห็นว่ามีการสังเกตเห็นกระแสสูงเกินในช่วงความหนาแน่นที่ใหญ่กว่า และแสดงให้เห็นการระงับกระแสสูงเกินเมื่อมีการใช้สนามแม่เหล็กขนานกัน เพื่อให้เข้าใจถึงพฤติกรรมที่สังเกตได้ในการศึกษา นักวิจัยได้คำนวณโครงสร้างแถบมัวร์ของอุปกรณ์กราฟีนไบเลเยอร์บิด "มุมมหัศจรรย์" โดยใช้แบบจำลอง Bistritzer-MacDonald และพารามิเตอร์ที่ปรับปรุงแล้ว เมื่อเปรียบเทียบกับการคำนวณมุม "มุมมหัศจรรย์" ก่อนหน้านี้ แถบมัวร์พลังงานต่ำที่คำนวณได้จะไม่แยกออกจากแถบพลังงานสูง แม้ว่ามุมบิดของอุปกรณ์จะเล็กกว่ามุม "มุมมหัศจรรย์" ที่คำนวณได้จากที่อื่น แต่อุปกรณ์นี้มีปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องอย่างมากกับการศึกษาครั้งก่อน (ฉนวนมอร์ตและสภาพนำไฟฟ้ายิ่งยวด) ซึ่งนักฟิสิกส์พบว่าเป็นสิ่งที่คาดไม่ถึงและเป็นไปได้

หลังจากประเมินพฤติกรรมเพิ่มเติมที่ความหนาแน่นสูง (จำนวนสถานะที่มีในแต่ละพลังงาน) ลักษณะที่นักวิทยาศาสตร์สังเกตได้จะมาจากสถานะฉนวนที่เกี่ยวข้องที่เพิ่งเกิดขึ้นใหม่ ในอนาคต จะมีการศึกษาความหนาแน่นของสถานะ (DOS) อย่างละเอียดมากขึ้นเพื่อทำความเข้าใจสถานะคี่ของฉนวนและเพื่อพิจารณาว่าสถานะเหล่านี้สามารถจำแนกเป็นของเหลวสปินควอนตัมได้หรือไม่ ด้วยวิธีนี้ นักวิทยาศาสตร์จึงสังเกตสภาพนำไฟฟ้ายิ่งยวดใกล้กับสถานะฉนวนคล้ายโมกซ์ในอุปกรณ์กราฟีนแบบสองชั้นบิดที่มีมุมบิดเล็ก (0.93°) การศึกษาครั้งนี้แสดงให้เห็นว่าแม้ในมุมที่เล็กและความหนาแน่นสูงเช่นนี้ ผลของความสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนต่อคุณสมบัติของมัวเรก็ยังคงเหมือนเดิม ในอนาคต จะมีการศึกษาหุบเขาสปินของเฟสฉนวน และเฟสตัวนำยิ่งยวดใหม่จะถูกศึกษาที่อุณหภูมิต่ำกว่า การวิจัยเชิงทดลองจะรวมเข้ากับความพยายามทางทฤษฎีเพื่อทำความเข้าใจที่มาของพฤติกรรมนี้