الموصلية الفائقة للجرافين أكثر جاذبية! الاكتشاف الأخير: نطاق "الزاوية السحرية" في الجرافين أكبر من المتوقع

لقد اجتذب سلوك خطوط موهر والأحزمة المسطحة في علم العلوم وفيزياء الكم المسمى "الزاوية السحرية" للجرافين ثنائي الطبقة الملتوي (TBLG) اهتمامًا كبيرًا من العلماء، على الرغم من أن العديد من خصائصها تواجه نقاشًا ساخنًا. في دراسة جديدة نشرت في مجلة Science Progress، لاحظ إميليو كوليدو وعلماء في قسم الفيزياء وعلوم المواد في الولايات المتحدة واليابان الموصلية الفائقة والتشابه في طبقة الجرافين ثنائية الطبقة الملتوية. تتمتع حالة عازل Mott بزاوية ملتوية تبلغ حوالي 0.93 درجة. وهذه الزاوية أصغر بنسبة 15% من زاوية "الزاوية السحرية" (1.1 درجة) المحسوبة في الدراسة السابقة. توضح هذه الدراسة أن نطاق "الزاوية السحرية" للجرافين ثنائي الطبقة الملتوي أكبر مما كان متوقعًا في السابق.

توفر هذه الدراسة ثروة من المعلومات الجديدة لفك رموز الظواهر الكمومية القوية في الجرافين الملتوي ثنائي الطبقة لتطبيقات في فيزياء الكم. يعرّف الفيزيائيون "Twistronics" بأنها زاوية الالتواء النسبية بين طبقات فان دير فال المجاورة لإنتاج تموج في النسيج وشرائط مسطحة في الجرافين. لقد أصبح هذا المفهوم طريقة جديدة وفريدة من نوعها لتغيير وتخصيص خصائص الجهاز بشكل كبير بناءً على مواد ثنائية الأبعاد لتحقيق التدفق الحالي. وقد تجسد التأثير الملحوظ لـ "Twistronics" في العمل الرائد للباحثين، حيث أظهر أنه عندما يتم تكديس طبقتين من الجرافين أحادية الطبقة عند زاوية ملتوية "زاوية سحرية" تبلغ θ=1.1±0.1°، يظهر شريط مسطح للغاية. .

في هذه الدراسة، في الجرافين ثنائي الطبقة الملتوي (TBLG)، كانت المرحلة العازلة للشريط الصغير الأول (الميزة الهيكلية) للشبكة الفائقة عند "الزاوية السحرية" شبه ممتلئة. قرر فريق البحث أن هذا هو عازل Mott (عازل ذو خصائص فائقة التوصيل) يُظهر الموصلية الفائقة عند مستويات المنشطات الأعلى والأدنى قليلاً. يوضح مخطط الطور الموصل الفائق ذو درجة الحرارة العالية بين درجة حرارة انتقال الموصلية الفائقة (Tc) ودرجة حرارة فيرمي (Tf). أدى هذا البحث إلى اهتمام كبير ونقاش نظري حول بنية نطاق الجرافين والطوبولوجيا وأنظمة أشباه الموصلات الإضافية "الزاوية السحرية". بالمقارنة مع التقرير النظري الأصلي، فإن البحث التجريبي نادر وقد بدأ للتو. في هذه الدراسة، أجرى الفريق قياسات الإرسال على "الزاوية السحرية" الملتوية ثنائية الطبقة من الجرافين والتي توضح حالات العزل والموصلية الفائقة ذات الصلة.

الزاوية المشوهة بشكل غير متوقع تبلغ 0.93 ± 0.01، وهي أصغر بنسبة 15٪ من "الزاوية السحرية" المحددة، وهي أيضًا أصغر زاوية تم الإبلاغ عنها حتى الآن وتظهر خصائص فائقة التوصيل. تشير هذه النتائج إلى أن حالة الارتباط الجديدة يمكن أن تظهر في "الزاوية السحرية" الملتوية ثنائية الطبقة من الجرافين، وهي أقل من "الزاوية السحرية" الأولية، خلف الشريط الميكروي الأول من الجرافين. لبناء أجهزة الجرافين ثنائية الطبقة الملتوية "القرن السحري"، استخدم الفريق أسلوب "التمزيق والتكديس". يتم تغليف الهيكل بين طبقات نيتريد البورون السداسية (BN)؛ منقوشة على شكل هندسة قضيب القاعة مع أسلاك متعددة مقترنة بجهات اتصال حافة Cr/Au (الكروم/الذهب). تم تصنيع جهاز الجرافين ثنائي الطبقة الملتوي "الزاوية السحرية" بالكامل فوق طبقة الجرافين المستخدمة كبوابة خلفية.

يستخدم العلماء تقنيات قفل التيار المباشر القياسي (DC) والتيار المتردد (AC) لقياس الأجهزة في أجهزة التبريد HE4 وHE3 التي يتم ضخها. سجل الفريق العلاقة بين المقاومة الطولية للجهاز (Rxx) ونطاق جهد البوابة الممتد (VG) وحسبوا المجال المغناطيسي B عند درجة حرارة 1.7 كلفن. وقد لوحظ أن عدم تناسق ثقب الإلكترون الصغير هو خاصية متأصلة في جهاز الجرافين ثنائي الطبقة الملتوي "الزاوية السحرية". وكما لوحظ في التقارير السابقة، سجل الفريق هذه النتائج وقام بتفصيل التقارير التي كانت فائقة التوصيل حتى الآن. تعمل "الزاوية السحرية" المميزة على تحريف الحد الأدنى لزاوية الالتواء لجهاز الجرافين ثنائي الطبقة. ومن خلال الفحص الدقيق لمخطط مروحة لانداو، اكتسب الباحثون بعض الميزات البارزة.

على سبيل المثال، تتوافق الذروة عند نصف الملء والانحطاط المزدوج لمستوى لانداو مع حالات العزل الشبيهة باللحظة التي تمت ملاحظتها مسبقًا. أظهر الفريق كسرًا في تناظر وادي الدوران التقريبي SU(4) وتشكيل سطح فيرمي شبه الجسيمي الجديد. ومع ذلك، فإن التفاصيل تتطلب فحصا أكثر تفصيلا. ولوحظ أيضًا ظهور الموصلية الفائقة، مما أدى إلى زيادة Rxx (المقاومة الطولية)، على غرار الدراسات السابقة. ثم قام الفريق بفحص درجة الحرارة الحرجة (Tc) لمرحلة التوصيل الفائق. نظرًا لعدم الحصول على بيانات عن المنشطات المثالية للموصلات الفائقة في هذه العينة، افترض العلماء درجة حرارة حرجة تصل إلى 0.5 كلفن. ومع ذلك، تصبح هذه الأجهزة غير فعالة حتى تتمكن من الحصول على بيانات واضحة من حالة التوصيل الفائق. لمزيد من التحقيق في حالة التوصيل الفائق، قام الباحثون بقياس خصائص الجهد والتيار (VI) ذات الأربع أطراف للجهاز عند كثافات حاملة مختلفة.

تظهر المقاومة التي تم الحصول عليها أن التيار الفائق يتم ملاحظته على نطاق كثافة أكبر ويظهر قمع التيار الفائق عند تطبيق مجال مغناطيسي موازي. للحصول على نظرة ثاقبة للسلوك الذي لوحظ في الدراسة، قام الباحثون بحساب بنية شريط تموج في النسيج لجهاز الجرافين ثنائي الطبقة الملتوي "الزاوية السحرية" باستخدام نموذج بيستريتزر-ماكدونالد والمعلمات المحسنة. بالمقارنة مع الحساب السابق لزاوية "الزاوية السحرية"، فإن نطاق تموج في النسيج منخفض الطاقة المحسوب ليس معزولًا عن نطاق الطاقة العالية. وعلى الرغم من أن زاوية الالتواء للجهاز أصغر من زاوية "الزاوية السحرية" المحسوبة في مكان آخر، إلا أن الجهاز لديه ظاهرة ترتبط بقوة بالدراسات السابقة (عزل مورت والموصلية الفائقة)، والتي وجد الفيزيائيون أنها غير متوقعة وممكنة.

وبعد إجراء المزيد من تقييم السلوك عند الكثافات الكبيرة (عدد الحالات المتوفرة في كل طاقة)، ​​تُعزى الخصائص التي لاحظها العلماء إلى حالات العزل المرتبطة الناشئة حديثًا. في المستقبل، سيتم إجراء دراسة أكثر تفصيلاً لكثافة الحالات (DOS) لفهم الحالة الفردية للعزل وتحديد ما إذا كان يمكن تصنيفها على أنها سوائل مغزلية كمومية. بهذه الطريقة، لاحظ العلماء الموصلية الفائقة بالقرب من الحالة العازلة الشبيهة بالموكس في جهاز جرافين ثنائي الطبقة ملتوي بزاوية ملتوية صغيرة (0.93 درجة). توضح هذه الدراسة أنه حتى في مثل هذه الزوايا الصغيرة والكثافات العالية، فإن تأثير الارتباط الإلكتروني على خصائص تموج في النسيج هو نفسه. وفي المستقبل، ستتم دراسة وديان الدوران للمرحلة العازلة، وستتم دراسة مرحلة جديدة فائقة التوصيل عند درجة حرارة أقل. سيتم الجمع بين البحث التجريبي والجهود النظرية لفهم أصل هذا السلوك.