Hiện tượng các dải Mohr và các dải phẳng trong khoa học viễn tưởng và vật lý lượng tử, được gọi là graphene hai lớp xoắn "góc ma thuật" (TBLG), đã thu hút sự quan tâm lớn từ các nhà khoa học, mặc dù nhiều đặc tính của chúng vẫn còn gây tranh cãi. Trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Science Progress, Emilio Colledo và các nhà khoa học thuộc Khoa Vật lý và Khoa học Vật liệu tại Hoa Kỳ và Nhật Bản đã quan sát thấy tính siêu dẫn và sự tương đồng trong graphene hai lớp xoắn. Trạng thái cách điện Mott có góc xoắn khoảng 0,93 độ. Góc này nhỏ hơn 15% so với góc "ma thuật" (1,1°) được tính toán trong nghiên cứu trước đó. Nghiên cứu này cho thấy phạm vi "góc ma thuật" của graphene hai lớp xoắn lớn hơn so với dự đoán trước đây.
Nghiên cứu này cung cấp nhiều thông tin mới để giải mã các hiện tượng lượng tử mạnh mẽ trong graphene hai lớp xoắn, phục vụ cho các ứng dụng trong vật lý lượng tử. Các nhà vật lý định nghĩa “Twistronics” là góc xoắn tương đối giữa các lớp van der Waals liền kề để tạo ra các dải moiré và dải phẳng trong graphene. Khái niệm này đã trở thành một phương pháp mới và độc đáo để thay đổi và tùy chỉnh đáng kể các đặc tính của thiết bị dựa trên vật liệu hai chiều nhằm đạt được dòng điện. Hiệu ứng đáng chú ý của “Twistronics” đã được minh họa trong công trình tiên phong của các nhà nghiên cứu, cho thấy rằng khi hai lớp graphene đơn lớp được xếp chồng lên nhau ở góc xoắn “góc ma thuật” θ=1,1±0,1°, một dải phẳng xuất hiện.
Trong nghiên cứu này, ở graphene hai lớp xoắn (TBLG), pha cách điện của vi dải đầu tiên (đặc điểm cấu trúc) của siêu mạng tại "góc ma thuật" được lấp đầy một phần. Nhóm nghiên cứu xác định rằng đây là chất cách điện Mott (chất cách điện có tính chất siêu dẫn) thể hiện tính siêu dẫn ở mức độ pha tạp cao hơn và thấp hơn một chút. Giản đồ pha cho thấy chất siêu dẫn nhiệt độ cao nằm giữa nhiệt độ chuyển tiếp siêu dẫn (Tc) và nhiệt độ Fermi (Tf). Nghiên cứu này đã dẫn đến sự quan tâm lớn và tranh luận lý thuyết về cấu trúc dải, tôpô học của graphene và các hệ bán dẫn "góc ma thuật" khác. So với báo cáo lý thuyết ban đầu, nghiên cứu thực nghiệm còn hiếm và mới chỉ bắt đầu. Trong nghiên cứu này, nhóm đã tiến hành các phép đo truyền dẫn trên graphene hai lớp xoắn "góc ma thuật" cho thấy các trạng thái cách điện và siêu dẫn có liên quan.
Góc biến dạng bất ngờ 0,93 ± 0,01, nhỏ hơn 15% so với “Góc Ma Thuật” đã được xác định, cũng là góc nhỏ nhất được báo cáo cho đến nay và thể hiện các đặc tính siêu dẫn. Những kết quả này cho thấy trạng thái tương quan mới có thể xuất hiện trong graphene hai lớp xoắn “Góc Ma Thuật”, thấp hơn “góc ma thuật” ban đầu, vượt ra ngoài dải vi mạch graphene đầu tiên. Để chế tạo các thiết bị graphene hai lớp xoắn “sừng ma thuật” này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp “xé và xếp chồng”. Cấu trúc giữa các lớp boron nitride (BN) hình lục giác được bao bọc; được tạo hình thành hình dạng thanh Hall với nhiều dây dẫn được nối với các tiếp điểm cạnh Cr/Au (crom/vàng). Toàn bộ thiết bị graphene hai lớp xoắn “Góc Ma Thuật” được chế tạo trên lớp graphene được sử dụng làm cổng sau.
Các nhà khoa học sử dụng các kỹ thuật khóa dòng điện một chiều (DC) và dòng điện xoay chiều (AC) tiêu chuẩn để đo các thiết bị trong buồng lạnh HE4 và HE3 được bơm. Nhóm nghiên cứu đã ghi lại mối quan hệ giữa điện trở dọc (Rxx) của thiết bị và phạm vi điện áp cổng (VG) mở rộng, đồng thời tính toán từ trường B ở nhiệt độ 1,7K. Sự bất đối xứng nhỏ giữa electron và lỗ trống được quan sát thấy là một đặc tính vốn có của thiết bị graphene hai lớp xoắn "Góc Ma thuật". Như đã được ghi nhận trong các báo cáo trước đây, nhóm nghiên cứu đã ghi lại những kết quả này và mô tả chi tiết các báo cáo về hiện tượng siêu dẫn cho đến nay. Đặc tính "Góc Ma thuật" tạo ra góc xoắn tối thiểu của thiết bị graphene hai lớp. Khi xem xét kỹ hơn biểu đồ quạt Landau, các nhà nghiên cứu đã thu được một số đặc điểm đáng chú ý.
Ví dụ, đỉnh ở mức lấp đầy một nửa và độ suy biến gấp đôi của mức Landau phù hợp với các trạng thái cách điện giống như Moment đã được quan sát trước đây. Nhóm nghiên cứu đã chỉ ra sự phá vỡ tính đối xứng của thung lũng spin gần đúng SU(4) và sự hình thành một bề mặt Fermi quasi-hạt mới. Tuy nhiên, các chi tiết cần được kiểm tra kỹ lưỡng hơn. Sự xuất hiện của hiện tượng siêu dẫn cũng được quan sát, làm tăng Rxx (điện trở dọc), tương tự như các nghiên cứu trước đây. Sau đó, nhóm nghiên cứu đã kiểm tra nhiệt độ tới hạn (Tc) của pha siêu dẫn. Vì không thu được dữ liệu về việc pha tạp tối ưu các chất siêu dẫn trong mẫu này, các nhà khoa học đã giả định nhiệt độ tới hạn lên đến 0,5K. Tuy nhiên, các thiết bị này trở nên không hiệu quả cho đến khi họ có thể thu được dữ liệu rõ ràng từ trạng thái siêu dẫn. Để nghiên cứu sâu hơn về trạng thái siêu dẫn, các nhà nghiên cứu đã đo đặc tính điện áp-dòng điện (VI) bốn cực của thiết bị ở các mật độ hạt tải khác nhau.
Điện trở thu được cho thấy dòng siêu dẫn được quan sát trên phạm vi mật độ lớn hơn và cho thấy sự triệt tiêu dòng siêu dẫn khi áp dụng từ trường song song. Để hiểu rõ hơn về hành vi quan sát được trong nghiên cứu, các nhà nghiên cứu đã tính toán cấu trúc dải Moir của thiết bị graphene hai lớp xoắn "Góc Ma thuật" bằng cách sử dụng mô hình Bistritzer-MacDonald và các tham số được cải tiến. So với phép tính góc "Góc Ma thuật" trước đây, dải Moir năng lượng thấp được tính toán không bị tách biệt khỏi dải năng lượng cao. Mặc dù góc xoắn của thiết bị nhỏ hơn góc "góc ma thuật" được tính toán ở nơi khác, thiết bị này có một hiện tượng liên quan chặt chẽ đến các nghiên cứu trước đây (cách điện Mort và siêu dẫn), điều mà các nhà vật lý thấy là bất ngờ và khả thi.
Sau khi đánh giá thêm hành vi ở mật độ lớn (số trạng thái có sẵn trên mỗi mức năng lượng), các đặc điểm được các nhà khoa học quan sát được cho là do các trạng thái cách điện liên kết mới xuất hiện. Trong tương lai, một nghiên cứu chi tiết hơn về mật độ trạng thái (DOS) sẽ được tiến hành để hiểu trạng thái cách điện bất thường và xác định xem chúng có thể được phân loại là chất lỏng spin lượng tử hay không. Bằng cách này, các nhà khoa học đã quan sát thấy hiện tượng siêu dẫn gần trạng thái cách điện kiểu Mox trong thiết bị graphene hai lớp xoắn với góc xoắn nhỏ (0,93°). Nghiên cứu này cho thấy ngay cả ở các góc nhỏ và mật độ cao như vậy, ảnh hưởng của tương quan điện tử lên các đặc tính của moiré vẫn như nhau. Trong tương lai, các thung lũng spin của pha cách điện sẽ được nghiên cứu, và một pha siêu dẫn mới ở nhiệt độ thấp hơn sẽ được nghiên cứu. Nghiên cứu thực nghiệm sẽ được kết hợp với các nỗ lực lý thuyết để hiểu nguồn gốc của hành vi này.
Thời gian đăng bài: 08/10/2019