Поведението на ивиците на Мор и плоските колани в науката за науката и квантовата физика, наречено "магически ъгъл" усукан двуслоен графен (TBLG), привлече голям интерес от учените, въпреки че много свойства са изправени пред разгорещен дебат. В ново проучване, публикувано в списание Science Progress, Емилио Коледо и учени от Департамента по физика и материалознание в Съединените щати и Япония наблюдават свръхпроводимост и аналогия в усукан двуслоен графен. Състоянието на изолатора на Мот има ъгъл на усукване от около 0,93 градуса. Този ъгъл е с 15% по-малък от ъгъла на „магическия ъгъл“ (1,1°), изчислен в предишното изследване. Това проучване показва, че обхватът на „магическия ъгъл“ на усукания двуслоен графен е по-голям от очакваното преди.
Това изследване предоставя изобилие от нова информация за дешифриране на силните квантови явления в усукан двуслоен графен за приложения в квантовата физика. Физиците определят „Twistronics“ като относителния ъгъл на усукване между съседните ван дер Ваалсови слоеве за получаване на моаре и плоски ленти в графена. Тази концепция се превърна в нов и уникален метод за значително променяне и персонализиране на свойствата на устройството на базата на двуизмерни материали за постигане на токов поток. Забележителният ефект на "Twistronics" беше илюстриран в пионерската работа на изследователите, демонстрирайки, че когато два еднослойни графенови слоя са подредени под "магически ъгъл" ъгъл на усукване от θ=1.1±0.1°, се появява много плоска лента. .
В това изследване, в усукания двуслоен графен (TBLG), изолационната фаза на първата микролента (структурна характеристика) на суперрешетката при „магическия ъгъл“ беше полузапълнена. Изследователският екип установи, че това е изолатор на Мот (изолатор със свръхпроводящи свойства), който проявява свръхпроводимост при малко по-високи и по-ниски нива на допинг. Фазовата диаграма показва високотемпературния свръхпроводник между температурата на свръхпроводящ преход (Tc) и температурата на Ферми (Tf). Това изследване доведе до голям интерес и теоретичен дебат относно структурата на графенова лента, топологията и допълнителните полупроводникови системи „Magic Angle“. В сравнение с първоначалния теоретичен доклад, експерименталните изследвания са рядкост и току-що са започнали. В това проучване екипът проведе измервания на предаване на усукан двуслоен графен с „магически ъгъл“, показващ съответните изолационни и свръхпроводящи състояния.
Неочаквано изкривен ъгъл от 0,93 ± 0,01, който е с 15% по-малък от установения „магически ъгъл“, също е най-малкият докладван до момента и показва свръхпроводящи свойства. Тези резултати показват, че новото състояние на корелация може да се появи в усукания двуслоен графен „Магически ъгъл“, по-нисък от първичния „магически ъгъл“, отвъд първата микролента от графен. За да изгради тези усукани двуслойни графенови устройства с „магически рог“, екипът използва подхода „разкъсване и подреждане“. Структурата между слоевете на хексагоналния борен нитрид (BN) е капсулирана; оформен в геометрия на пръчка на Хол с множество проводници, свързани към Cr/Au (хром/злато) крайни контакти. Цялото усукано двуслойно графеново устройство „Magic Angle“ беше произведено върху графеновия слой, използван като задна врата.
Учените използват стандартни техники за заключване на постоянен ток (DC) и променлив ток (AC), за да измерват устройства в помпени криостати HE4 и HE3. Екипът записа връзката между надлъжното съпротивление на устройството (Rxx) и разширения обхват на напрежението на вратата (VG) и изчисли магнитното поле B при температура от 1,7 K. Беше наблюдавано, че малката асиметрия електрон-дупка е присъщо свойство на усуканото двуслойно графеново устройство „Magic Angle“. Както беше отбелязано в предишни доклади, екипът записа тези резултати и подробно докладите, които досега са били свръхпроводими. Характерният „магически ъгъл“ извива минималния ъгъл на усукване на двуслойното графеново устройство. С по-внимателно разглеждане на диаграмата на Ландау, изследователите придобиха някои забележителни характеристики.
Например, пикът при наполовина запълване и двукратното израждане на нивото на Ландау са в съответствие с наблюдаваните по-рано моментни състояния на изолация. Екипът показа прекъсване на симетрията на приблизителната спинова долина SU(4) и образуването на нова повърхност на Ферми с квазичастици. Детайлите обаче изискват по-подробна проверка. Наблюдава се и появата на свръхпроводимост, която повишава Rxx (надлъжно съпротивление), подобно на предишни изследвания. След това екипът изследва критичната температура (Tc) на свръхпроводящата фаза. Тъй като не бяха получени данни за оптимално легиране на свръхпроводници в тази проба, учените приеха критична температура до 0,5 K. Тези устройства обаче стават неефективни, докато не успеят да получат ясни данни от свръхпроводящото състояние. За по-нататъшно изследване на свръхпроводящото състояние, изследователите измерват характеристиките на четирите терминала напрежение-ток (VI) на устройството при различни плътности на носителя.
Полученото съпротивление показва, че свръхтокът се наблюдава в по-голям диапазон на плътност и показва потискането на свръхток, когато се прилага паралелно магнитно поле. За да получат представа за поведението, наблюдавано в проучването, изследователите изчислиха структурата на лентата Moir на усуканото двуслойно графеново устройство „Magic Angle“, използвайки модела на Bistritzer-MacDonald и подобрени параметри. В сравнение с предишното изчисление на ъгъла на „магическия ъгъл“, изчислената нискоенергийна Moire лента не е изолирана от високоенергийната лента. Въпреки че ъгълът на усукване на устройството е по-малък от ъгъла на „магическия ъгъл“, изчислен на друго място, устройството има феномен, който е тясно свързан с предишни изследвания (изолация на Морт и свръхпроводимост), които физиците откриха като неочаквани и осъществими.
След по-нататъшна оценка на поведението при големи плътности (броя налични състояния за всяка енергия), характеристиките, наблюдавани от учените, се приписват на нововъзникващите свързани състояния на изолация. В бъдеще ще бъде проведено по-подробно изследване на плътността на състоянията (DOS), за да се разбере странното състояние на изолацията и да се определи дали те могат да бъдат класифицирани като квантови спинови течности. По този начин учените наблюдават свръхпроводимост близо до Mox-подобното изолационно състояние в усукано двуслойно графеново устройство с малък ъгъл на усукване (0,93 °). Това изследване показва, че дори при такива малки ъгли и висока плътност, ефектът от електронната корелация върху свойствата на моарето е същият. В бъдеще ще бъдат изследвани спиновите долини на изолиращата фаза и ще бъде изследвана нова свръхпроводяща фаза при по-ниска температура. Експерименталните изследвания ще бъдат комбинирани с теоретични усилия за разбиране на произхода на това поведение.
Време на публикуване: 8 октомври 2019 г