Поведението на ивиците на Мор и плоските пояси в науката и квантовата физика, наречени „усукан двуслоен графен с магически ъгъл“ (TBLG), привлича голям интерес от страна на учените, въпреки че много свойства са обект на разгорещени дебати. В ново проучване, публикувано в списанието Science Progress, Емилио Коледо и учени от катедрата по физика и материалознание в Съединените щати и Япония наблюдават свръхпроводимост и аналогия в усукан двуслоен графен. Състоянието на изолатор 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 проучване. Това проучване показва, че диапазонът на „магическия ъгъл“ на усукания двуслоен графен е по-голям от очакваното преди това.
Това изследване предоставя богатство от нова информация за дешифриране на силните квантови явления в усукания двуслоен графен за приложения в квантовата физика. Физиците определят „Туистроника“ като относителния ъгъл на усукване между съседни ван дер Ваалсови слоеве, за да се получат моаре и плоски ленти в графена. Тази концепция се е превърнала в нов и уникален метод за значително променяне и персонализиране на свойствата на устройства, базирани на двуизмерни материали, за постигане на протичане на ток. Забележителният ефект на „Туистроника“ е илюстриран в пионерската работа на изследователите, демонстрирайки, че когато два еднослойни графенови слоя са подредени под „магически ъгъл“ на усукване от θ=1,1±0,1°, се появява много плоска лента.
В това проучване, в усукания двуслоен графен (TBLG), изолационната фаза на първата микролента (структурна характеристика) на свръхрешетката при „магически ъгъл“ е била полузапълнена. Изследователският екип определи, че това е изолатор на Мот (изолатор със свръхпроводящи свойства), който проявява свръхпроводимост при малко по-високи и по-ниски нива на легиране. 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 лентовата структура на графена, топологията и допълнителните полупроводникови системи „магически ъгъл“. В сравнение с оригиналния теоретичен доклад, експерименталните изследвания са рядкост и току-що са започнали. В това проучване екипът проведе измервания на пропускане на усукания двуслоен графен „магически ъгъл“, показвайки съответните изолационни и свръхпроводящи състояния.
Неочаквано изкривен ъгъл от 0,93 ± 0,01, който е с 15% по-малък от установения „Магически ъгъл“, е и най-малкият, докладван до момента, и проявява свръхпроводящи свойства. Тези резултати показват, че новото корелационно състояние може да се появи в усукания двуслоен графен „Магически ъгъл“, по-ниско от първичния „магически ъгъл“, отвъд първата микролента графен. За да изградят тези усукани двуслойни графенови устройства „магически рог“, екипът е използвал подход „разкъсване и подреждане“. Структурата между хексагоналните слоеве от боров нитрид (BN) е капсулирана; оформена в геометрия на прът на Хол с множество проводници, свързани с Cr/Au (хром/злато) крайни контакти. Цялото усукано двуслойно графеново устройство „Магически ъгъл“ е изработено върху графеновия слой, използван като заден вход.
Учените използват стандартни техники за заключване с постоянен (DC) и променлив ток (AC), за да измерват устройства в криостати HE4 и HE3 с помпа. Екипът е записал връзката между надлъжното съпротивление на устройството (Rxx) и разширения диапазон на напрежението на затвора (VG) и е изчислил магнитното поле B при температура от 1.7K. Наблюдавана е малка електронно-дупкова асиметрия, която е присъщо свойство на усуканото двуслойно графеново устройство „Магически ъгъл“. Както е наблюдавано в предишни доклади, екипът е записал тези резултати и е подробно описал докладите, които досега са свръхпроводящи. Характерният „Магически ъгъл“ усуква минималния ъгъл на торсиониране на двуслойното графеново устройство. При по-внимателно разглеждане на ветрилообразната диаграма на Ландау, изследователите са открили някои забележителни характеристики.
Например, пикът при половин запълване и двукратното израждане на нивото на Ландау са в съответствие с наблюдаваните по-рано състояния на изолация, подобни на моменти. Екипът показа нарушаване на симетрията на приблизителната спинова долина SU(4) и образуването на нова квазичастична повърхност на Ферми. Детайлите обаче изискват по-подробно изследване. Наблюдавана е и поява на свръхпроводимост, която увеличава Rxx (надлъжно съпротивление), подобно на предишни изследвания. След това екипът изследва критичната температура (Tc) на свръхпроводящата фаза. Тъй като не са получени данни за оптимално легиране на свръхпроводници в тази проба, учените приемат критична температура до 0,5K. Тези устройства обаче стават неефективни, докато не успеят да получат ясни данни от свръхпроводящото състояние. За да изследват по-нататък свръхпроводящото състояние, изследователите измериха четиритерминалните характеристики на напрежение-ток (VI) на устройството при различни плътности на носителите.
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 наблюдаваното в изследването поведение, изследователите изчислили структурата на Моаровата лента на усуканото двуслойно графеново устройство „Магически ъгъл“, използвайки модела на Бистрицер-Макдоналд и подобрени параметри. В сравнение с предишното изчисление на ъгъла „Магически ъгъл“, изчислената нискоенергийна Моарова лента не е изолирана от високоенергийната лента. Въпреки че ъгълът на усукване на устройството е по-малък от ъгъла на „магически ъгъл“, изчислен другаде, устройството има феномен, който е силно свързан с предишни изследвания (Мортова изолация и свръхпроводимост), който физиците са открили за неочакван и осъществим.
След допълнителна оценка на поведението при големи плътности (броят на наличните състояния за всяка енергия), наблюдаваните от учените характеристики се приписват на нововъзникващите асоциирани изолационни състояния. В бъдеще ще бъде проведено по-подробно изследване на плътността на състоянията (DOS), за да се разбере нечетното състояние на изолацията и да се определи дали те могат да бъдат класифицирани като квантови спинови течности. По този начин учените наблюдаваха свръхпроводимост близо до Mox-подобно изолационно състояние в усукано двуслойно графеново устройство с малък ъгъл на усукване (0,93°). Това изследване показва, че дори при такива малки ъгли и високи плътности, ефектът на електронната корелация върху свойствата на моара е същият. В бъдеще ще бъдат изследвани спиновите долини на изолационната фаза и ще бъде изследвана нова свръхпроводяща фаза при по-ниска температура. Експерименталните изследвания ще бъдат комбинирани с теоретични усилия, за да се разбере произходът на това поведение.
Време на публикуване: 08 октомври 2019 г.