Поведінка смуг Мора та плоских поясів у науці та квантовій фізиці, що називається скрученим двошаровим графеном «Магічний кут» (TBLG), викликала великий інтерес у вчених, хоча багато властивостей стикаються з гарячими дискусіями. У новому дослідженні, опублікованому в журналі Science Progress, Еміліо Колледо та вчені з Департаменту фізики та матеріалознавства в Сполучених Штатах та Японії спостерігали надпровідність та аналогію в скрученому двошаровому графені. Стан ізолятора Мотта має кут скручення близько 0,93 градуса. Цей кут на 15% менший за кут «магічного кута» (1,1°), розрахований у попередньому дослідженні. Це дослідження показує, що діапазон «магічного кута» скрученого двошарового графену більший, ніж очікувалося раніше.
Це дослідження надає багатство нової інформації для розшифровки сильних квантових явищ у скрученому двошаровому графені для застосування в квантовій фізиці. Фізики визначають «твістроніку» як відносний кут скручування між сусідніми шарами Ван-дер-Ваальса для створення муару та плоских смуг у графені. Ця концепція стала новим та унікальним методом для значної зміни та налаштування властивостей пристроїв на основі двовимірних матеріалів для досягнення протікання струму. Чудовий ефект «твістроніки» був проілюстрований у новаторській роботі дослідників, яка продемонструвала, що коли два одношарові шари графену укладаються під кутом скручування «магічного кута» θ=1,1±0,1°, з'являється дуже плоска смуга.
У цьому дослідженні в скрученому двошаровому графені (TBLG) ізолююча фаза першої мікросмужки (структурної особливості) надґратки під «магічним кутом» була частково заповнена. Дослідницька група визначила, що це ізолятор Мотта (ізолятор з надпровідними властивостями), який проявляє надпровідність при дещо вищих та нижчих рівнях легування. Фазова діаграма показує високотемпературний надпровідник між температурою надпровідного переходу (Tc) та температурою Фермі (Tf). Це дослідження викликало великий інтерес та теоретичні дискусії щодо зонної структури графену, топології та додаткових напівпровідникових систем «магічного кута». Порівняно з початковим теоретичним звітом, експериментальні дослідження є рідкісними та тільки розпочалися. У цьому дослідженні команда провела вимірювання пропускання на скрученому двошаровому графені «магічного кута», показавши відповідні ізолюючі та надпровідні стани.
Несподівано спотворений кут 0,93 ± 0,01, що на 15% менше за встановлений «Магічний кут», також є найменшим із зареєстрованих на сьогоднішній день і демонструє надпровідні властивості. Ці результати вказують на те, що новий кореляційний стан може виникати в скрученому двошаровому графені «Магічний кут», нижче за первинний «магічний кут», за першою мікросмужкою графену. Для створення цих скручених двошарових графенових пристроїв «магічний ріг» команда використала підхід «розриву та укладання». Структура між гексагональними шарами нітриду бору (BN) інкапсульована; має форму стрижня Холла з кількома дротами, з'єднаними з крайовими контактами Cr/Au (хром/золото). Весь скручений двошаровий графеновий пристрій «Магічний кут» був виготовлений поверх шару графену, який використовується як зворотний затвор.
Вчені використовують стандартні методи синхронізації постійного (DC) та змінного (AC) струму для вимірювання пристроїв у кріостатах HE4 та HE3 з накачуванням. Команда зафіксувала зв'язок між поздовжнім опором пристрою (Rxx) та розширеним діапазоном напруги на затворі (VG) і розрахувала магнітне поле B за температури 1,7 K. Було виявлено, що мала електронно-діркова асиметрія є невід'ємною властивістю пристрою зі скрученим двошаровим графеном «Магічний кут». Як зазначалося в попередніх звітах, команда записала ці результати та детально описала звіти, які досі є надпровідними. Характерний «Магічний кут» скручує мінімальний кут кручення двошарового графенового пристрою. При детальнішому вивченні віялової діаграми Ландау дослідники виявили деякі помітні особливості.
Наприклад, пік при половинному заповненні та дворазове виродження рівня Ландау узгоджуються з раніше спостережуваними моментоподібними ізоляційними станами. Команда показала порушення симетрії приблизної спінової долини SU(4) та формування нової квазічастинкової поверхні Фермі. Однак деталі потребують більш детального вивчення. Також спостерігалася поява надпровідності, яка збільшила Rxx (поздовжній опір), подібно до попередніх досліджень. Потім команда дослідила критичну температуру (Tc) надпровідної фази. Оскільки не було отримано даних для оптимального легування надпровідників у цьому зразку, вчені припустили критичну температуру до 0,5 K. Однак ці пристрої стають неефективними, доки вони не зможуть отримати чіткі дані з надпровідного стану. Для подальшого дослідження надпровідного стану дослідники виміряли чотирививідні вольт-струмові (VI) характеристики пристрою при різних щільностях носіїв заряду.
Отриманий опір показує, що надструм спостерігається в більшому діапазоні густини, а також демонструє придушення надструму при застосуванні паралельного магнітного поля. Щоб отримати уявлення про поведінку, що спостерігається в дослідженні, дослідники розрахували структуру зон Муара скрученого двошарового графенового пристрою «Магічний кут», використовуючи модель Бістрітцера-Макдональда та покращені параметри. Порівняно з попереднім розрахунком кута «Магічного кута», розрахована низькоенергетична смуга Муара не ізольована від високоенергетичної смуги. Хоча кут скручення пристрою менший за кут «магічного кута», розрахований в іншому місці, пристрій має явище, яке тісно пов'язане з попередніми дослідженнями (ізоляція Морта та надпровідність), яке фізики визнали неочікуваним та можливим.
Після подальшої оцінки поведінки при великих густинах (кількість станів, доступних для кожної енергії), характеристики, що спостерігаються вченими, пояснюються нещодавно виниклими асоційованими ізоляційними станами. У майбутньому буде проведено більш детальне дослідження густини станів (DOS), щоб зрозуміти непарний стан ізоляції та визначити, чи можна їх класифікувати як квантові спінові рідини. Таким чином, вчені спостерігали надпровідність поблизу Мокс-подібного ізоляційного стану в скрученому двошаровому графеновому пристрої з малим кутом скручування (0,93°). Це дослідження показує, що навіть при таких малих кутах і високих густинах вплив електронної кореляції на властивості муару однаковий. У майбутньому будуть вивчені спінові долини ізоляційної фази, а нова надпровідна фаза буде вивчена при нижчій температурі. Експериментальні дослідження будуть поєднані з теоретичними зусиллями для розуміння походження цієї поведінки.
Час публікації: 08 жовтня 2019 р.