Bilim ve kuantum fiziğinde Mohr çizgileri ve düz bantların davranışına sahip olan ve "Sihirli Açı" olarak adlandırılan bükülmüş çift katmanlı grafen (TBLG), birçok özelliği hararetli tartışmalara konu olsa da, bilim insanlarının büyük ilgisini çekmiştir. Science Progress dergisinde yayınlanan yeni bir çalışmada, Emilio Colledo ve Amerika Birleşik Devletleri ve Japonya'daki Fizik ve Malzeme Bilimi Bölümü'nden bilim insanları, bükülmüş çift katmanlı grafende süperiletkenlik ve analogi gözlemlemiştir. Mott yalıtkan durumunun bükülme açısı yaklaşık 0,93 derecedir. 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 zengin bir yeni bilgi kaynağı sunmaktadır. Fizikçiler, grafende moiré ve düz bantlar oluşturmak için bitişik van der Waals katmanları arasındaki göreceli bükülme açısını "Twistronics" olarak tanımlarlar. Bu kavram, akım akışını sağlamak için iki boyutlu malzemelere dayalı cihaz özelliklerini önemli ölçüde değiştirme ve özelleştirme için yeni ve benzersiz bir yöntem haline gelmiştir. "Twistronics"in dikkat çekici etkisi, araştırmacıların öncü çalışmalarında örneklendirilmiştir; iki tek katmanlı grafen katmanı θ=1,1±0,1°'lik "sihirli açı" bükülme açısında istiflendiğinde çok düz bir bant ortaya çıkmaktadır.
Bu çalışmada, bükülmüş çift katmanlı grafende (TBLG), süper kafesin ilk mikroşeridinin (yapısal özellik) "sihirli açı"daki yalıtkan fazı yarı dolu olarak bulunmuştur. Araştırma ekibi, bunun biraz daha yüksek ve daha düşük katkılama seviyelerinde süperiletkenlik gösteren bir Mott yalıtkanı (süperiletken özelliklere sahip bir yalıtkan) olduğunu belirlemiştir. Faz diyagramı, süperiletken geçiş sıcaklığı (Tc) ile Fermi sıcaklığı (Tf) arasında yüksek sıcaklık süperiletkenini göstermektedir. Bu araştırma, grafen bant yapısı, topolojisi ve ek "Sihirli Açı" yarıiletken sistemleri üzerine büyük ilgi ve teorik tartışmalara yol açmıştır. Orijinal teorik rapora kıyasla, deneysel araştırmalar nadirdir ve henüz yeni başlamıştır. Bu çalışmada, ekip "sihirli açı" bükülmüş çift katmanlı grafen üzerinde ilgili yalıtkan ve süperiletken durumları gösteren iletim ölçümleri gerçekleştirmiştir.
Beklenmedik bir şekilde bozulmuş 0,93 ± 0,01'lik açı, bilinen "Sihirli Açı"dan %15 daha küçük olup, bugüne kadar bildirilen en küçük açıdır ve süper iletken özellikler sergilemektedir. Bu sonuçlar, yeni korelasyon durumunun, birincil "sihirli açı"dan daha düşük, grafenin ilk mikroşeridinin ötesinde, "Sihirli Açı" bükülmüş çift katmanlı grafende ortaya çıkabileceğini göstermektedir. Bu "sihirli boynuz" bükülmüş çift katmanlı grafen cihazlarını oluşturmak için ekip, "yırtma ve istifleme" yaklaşımını kullandı. Altıgen bor nitrür (BN) katmanları arasındaki yapı kapsüllenmiştir; Cr/Au (krom/altın) kenar kontaklarına bağlı çoklu tellerle Hall çubuk geometrisine desenlenmiştir. Tüm "Sihirli Açı" bükülmüş çift katmanlı grafen cihazı, arka kapı olarak kullanılan grafen katmanının üzerine üretilmiştir.
Bilim insanları, pompalanmış HE4 ve HE3 kriyostatlarında cihazları ölçmek için standart doğru akım (DC) ve alternatif akım (AC) kilitleme tekniklerini kullanıyor. Ekip, cihazın boyuna direnci (Rxx) ile genişletilmiş geçit voltajı (VG) aralığı arasındaki ilişkiyi kaydetti ve 1,7 K sıcaklıkta manyetik alan B'yi hesapladı. Küçük elektron-delik asimetrisinin, "Sihirli Açı" bükülmüş çift katmanlı grafen cihazının doğal bir özelliği olduğu gözlemlendi. Daha önceki raporlarda gözlemlendiği gibi, ekip bu sonuçları kaydetti ve şimdiye kadar süper iletken olan raporları detaylandırdı. Karakteristik "Sihirli Açı", çift katmanlı grafen cihazının minimum burulma açısını büküyor. Landau fan diyagramının daha yakından incelenmesiyle, araştırmacılar bazı önemli özellikler elde etti.
Örneğin, yarı doluluktaki tepe noktası ve Landau seviyesinin iki katlı dejenerasyonu, daha önce gözlemlenen Moment benzeri yalıtım durumlarıyla tutarlıdır. Ekip, yaklaşık spin vadisi SU(4)'ün simetrisinde bir kırılma ve yeni bir yarı parçacık Fermi yüzeyinin oluşumunu gösterdi. Bununla birlikte, ayrıntılar daha detaylı bir inceleme gerektiriyor. Süperiletkenliğin ortaya çıkışı da gözlemlendi ve bu da önceki çalışmalara benzer şekilde Rxx'i (boyuna direnç) artırdı. Ekip daha sonra süperiletken fazın kritik sıcaklığını (Tc) inceledi. Bu örnekte süperiletkenlerin optimum dopingi için veri elde edilemediğinden, bilim insanları 0,5 K'ye kadar bir kritik sıcaklık varsaydılar. Bununla birlikte, süperiletken durumdan net veriler elde edilene kadar bu cihazlar etkisiz hale gelir. Süperiletken durumu daha ayrıntılı olarak incelemek için araştırmacılar, cihazın dört terminalli voltaj-akım (VI) özelliklerini farklı taşıyıcı yoğunluklarında ölçtüler.
Elde edilen direnç, süper akımın daha geniş bir yoğunluk aralığında gözlemlendiğini ve paralel bir manyetik alan uygulandığında süper akımın bastırıldığını göstermektedir. Çalışmada gözlemlenen davranışa dair fikir edinmek için araştırmacılar, Bistritzer-MacDonald modelini ve geliştirilmiş parametreleri kullanarak "Sihirli Açı" bükülmüş çift katmanlı grafen cihazının Moire bant yapısını hesapladılar. "Sihirli Açı" açısının önceki hesaplamasına kıyasla, hesaplanan düşük enerjili Moire bandı, yüksek enerjili banttan izole edilmemiştir. Cihazın bükülme açısı, başka yerlerde hesaplanan "sihirli açı" açısından daha küçük olmasına rağmen, cihaz, fizikçilerin beklenmedik ve mümkün bulduğu, önceki çalışmalarla (Mort yalıtımı ve süper iletkenlik) güçlü bir şekilde ilişkili bir olguya sahiptir.
Yüksek yoğunluklardaki (her enerji seviyesinde mevcut durum sayısı) davranışın daha ayrıntılı değerlendirilmesinin ardından, bilim insanları tarafından gözlemlenen özellikler, yeni ortaya çıkan ilişkili yalıtım durumlarına atfedilmiştir. Gelecekte, yalıtımın tekil durumunu anlamak ve bunların kuantum spin sıvıları olarak sınıflandırılıp sınıflandırılamayacağını belirlemek için durum yoğunluğu (DOS) üzerine daha ayrıntılı bir çalışma yapılacaktır. Bu şekilde, bilim insanları küçük bir bükülme açısına (0,93°) sahip bükülmüş çift katmanlı grafen cihazında Mox benzeri yalıtım durumuna yakın süperiletkenlik gözlemlemiştir. Bu çalışma, bu kadar küçük açılarda ve yüksek yoğunluklarda bile, elektron korelasyonunun moiré özelliklerine etkisinin aynı olduğunu göstermektedir. Gelecekte, yalıtım fazının spin vadileri incelenecek ve daha düşük bir sıcaklıkta yeni bir süperiletken faz incelenecektir. Bu davranışın kökenini anlamak için deneysel araştırmalar teorik çalışmalarla birleştirilecektir.
Yayın tarihi: 08.10.2019