Bilim ve kuantum fiziği alanında “Sihirli Açı” bükülmüş çift katmanlı grafen (TBLG) olarak adlandırılan Mohr çizgilerinin ve düz kuşakların davranışı bilim insanlarının büyük ilgisini çekse de, birçok özelliği hararetli tartışmalarla karşı karşıya. Science Progress dergisinde yayınlanan yeni bir çalışmada, Emilio Colledo ve ABD ve Japonya Fizik ve Malzeme Bilimi Bölümü'ndeki bilim insanları, bükülmüş çift katmanlı grafende süperiletkenlik ve analoji gözlemlediler. Mott yalıtkan hali yaklaşık 0,93 derecelik bir bükülme açısına sahiptir. Bu açı, önceki çalışmada hesaplanan “sihirli açı” açısından (1,1°) %15 daha küçüktür. Bu çalışma, bükülmüş çift katmanlı grafenin “sihirli açı” aralığının daha önce beklenenden daha büyük olduğunu göstermektedir.
Bu çalışma, kuantum fiziğindeki uygulamalar için bükülmüş çift katmanlı grafendeki güçlü kuantum fenomenlerini çözmek için çok sayıda yeni bilgi sunmaktadır. Fizikçiler, "Twistronics"i, grafende moiré ve düz bantlar üretmek için bitişik van der Waals katmanları arasındaki bağıl bükülme açısı olarak tanımlarlar. Bu kavram, akım akışı elde etmek için iki boyutlu malzemelere dayalı cihaz özelliklerini önemli ölçüde değiştirmek ve özelleştirmek için yeni ve benzersiz bir yöntem haline gelmiştir. "Twistronics"in dikkate değer etkisi, araştırmacıların öncü çalışmalarında örneklendirilmiştir ve iki tek katmanlı grafen katmanı θ=1.1±0.1°'lik bir "sihirli açı" bükülme açısıyla istiflendiğinde çok düz bir bant göründüğünü göstermiştir.
Bu çalışmada, bükülü çift katmanlı grafende (TBLG), süper kafesin ilk mikroşeridinin (yapısal özellik) "sihirli açıda" yalıtkan fazı yarı doldurulmuştur. Araştırma ekibi, bunun biraz daha yüksek ve daha düşük doping seviyelerinde süperiletkenlik gösteren bir Mott yalıtkanı (süperiletken özelliklere sahip bir yalıtkan) olduğunu belirlemiştir. Faz diyagramı, süperiletken geçiş sıcaklığı (Tc) ile Fermi sıcaklığı (Tf) arasındaki yüksek sıcaklık süperiletkenini göstermektedir. Bu araştırma, grafen bant yapısı, topolojisi ve ek "Sihirli Açı" yarı iletken sistemleri üzerinde büyük ilgi ve teorik tartışmalara yol açmıştır. Orijinal teorik raporla karşılaştırıldığında, deneysel araştırmalar nadirdir ve daha yeni başlamıştır. Bu çalışmada ekip, ilgili yalıtkan ve süperiletken durumlarını gösteren "sihirli açı" bükülü çift katmanlı grafen üzerinde iletim ölçümleri gerçekleştirmiştir.
Belirlenen “Sihirli Açı”dan %15 daha küçük olan 0,93 ± 0,01’lik beklenmedik şekilde bozulmuş bir açı, aynı zamanda bugüne kadar bildirilen en küçük açıdır ve süperiletken özellikler sergiler. Bu sonuçlar, yeni korelasyon durumunun, grafenin ilk mikro şeridinin ötesinde, birincil “sihirli açıdan” daha düşük olan “Sihirli Açı” bükülmüş çift katmanlı grafende ortaya çıkabileceğini göstermektedir. Bu “sihirli boynuz” bükülmüş çift katmanlı grafen cihazlarını inşa etmek için ekip, “yırt ve istifle” yaklaşımını kullandı. Altıgen bor nitrür (BN) katmanları arasındaki yapı kapsüllenmiştir; Cr/Au (krom/altın) kenar temas noktalarına bağlanmış çoklu teller ile bir Hall çubuğu geometrisine desenlenmiştir. Tüm “Sihirli Açı” bükülmüş çift katmanlı grafen cihazı, arka kapı olarak kullanılan grafen katmanının üstüne imal edilmiştir.
Bilim insanları, pompalı HE4 ve HE3 kriyostatlarındaki cihazları ölçmek için standart doğru akım (DC) ve alternatif akım (AC) kilitleme tekniklerini kullanırlar. Ekip, cihazın uzunlamasına direnci (Rxx) ile genişletilmiş kapı voltajı (VG) aralığı arasındaki ilişkiyi kaydetti ve 1,7 K sıcaklığında manyetik alan B'yi hesapladı. Küçük elektron-delik asimetrisinin, "Sihirli Açı" bükülmüş çift katmanlı grafen cihazının doğal bir özelliği olduğu gözlemlendi. Önceki raporlarda gözlemlendiği gibi, ekip bu sonuçları kaydetti ve şu ana kadar süperiletken olan raporları ayrıntılı olarak açıkladı. Karakteristik "Sihirli Açı", çift katmanlı grafen cihazının minimum burulma açısını büker. Landau fan grafiğini daha yakından inceleyerek, araştırmacılar bazı dikkate değer özellikler elde ettiler.
Örneğin, yarım dolumdaki tepe noktası ve Landau seviyesinin iki kat dejenerasyonu, daha önce gözlemlenen Moment benzeri yalıtım durumlarıyla tutarlıdır. Ekip, yaklaşık spin vadisi SU(4)'ün simetrisinde bir kırılma ve yeni bir kuazi parçacık Fermi yüzeyinin oluşumunu gösterdi. Ancak, detaylar daha detaylı bir inceleme gerektiriyor. Önceki çalışmalara benzer şekilde, Rxx'i (uzunlamasına direnç) artıran süperiletkenliğin görünümü de gözlemlendi. Ekip daha sonra süperiletken fazın kritik sıcaklığını (Tc) inceledi. Bu örnekte süperiletkenlerin optimum dopingi için veri elde edilmediğinden, bilim insanları 0,5 K'ye kadar bir kritik sıcaklık varsaydılar. Ancak, bu cihazlar süperiletken durumdan net veriler elde edene kadar etkisiz hale geliyor. Süperiletken durumu daha fazla araştırmak için araştırmacılar, cihazın farklı taşıyıcı yoğunluklarında dört terminalli voltaj-akım (VI) karakteristiklerini ölçtüler.
Elde edilen direnç, süper akımın daha geniş bir yoğunluk aralığında gözlendiğini ve paralel bir manyetik alan uygulandığında süper akımın bastırıldığını göstermektedir. Çalışmada gözlemlenen davranışa dair bir fikir edinmek için araştırmacılar, Bistritzer-MacDonald modeli ve iyileştirilmiş parametreler kullanarak “Magic Angle” bükülmüş çift katmanlı grafen cihazının Moir bant yapısını hesapladılar. “Magic Angle” açısının önceki hesaplamasıyla karşılaştırıldığında, hesaplanan düşük enerjili Moire bandı yüksek enerjili banttan izole edilmemiştir. Cihazın bükülme açısı, başka yerlerde hesaplanan “magic angle” açısından daha küçük olmasına rağmen, cihaz, fizikçilerin beklenmedik ve uygulanabilir bulduğu, önceki çalışmalarla (Mort yalıtımı ve süperiletkenlik) güçlü bir şekilde ilişkili bir olguya sahiptir.
Büyük yoğunluklardaki (her enerjide mevcut durum sayısı) davranışı daha fazla değerlendirdikten sonra, bilim insanları tarafından gözlemlenen özellikler yeni ortaya çıkan ilişkili yalıtım durumlarına atfedilir. Gelecekte, yalıtımın tek durumunu anlamak ve bunların kuantum spin sıvıları olarak sınıflandırılıp sınıflandırılamayacağını belirlemek için durum yoğunluğu (DOS) hakkında daha ayrıntılı bir çalışma yürütülecektir. Bu şekilde, bilim insanları küçük bir bükülme açısına (0,93°) sahip bükülmüş çift katmanlı bir grafen cihazında Mox benzeri yalıtım durumuna yakın süperiletkenliği gözlemlediler. Bu çalışma, bu kadar küçük açılarda ve yüksek yoğunluklarda bile, elektron korelasyonunun moiré özellikleri üzerindeki etkisinin aynı olduğunu göstermektedir. Gelecekte, yalıtım fazının spin vadileri incelenecek ve daha düşük bir sıcaklıkta yeni bir süperiletken faz incelenecektir. Deneysel araştırma, bu davranışın kökenini anlamak için teorik çabalarla birleştirilecektir.
Gönderi zamanı: 08-Eki-2019