Das Verhalten von Mohr-Streifen und Flachgürteln in der Naturwissenschaft und Quantenphysik namens „Magic Angle“ Twisted Bilayer Graphen (TBLG) hat bei Wissenschaftlern großes Interesse geweckt, obwohl viele Eigenschaften heftig diskutiert werden. In einer neuen Studie, die in der Zeitschrift Science Progress veröffentlicht wurde, beobachteten Emilio Colledo und Wissenschaftler der Abteilung für Physik und Materialwissenschaften in den Vereinigten Staaten und Japan Supraleitung und Analogie in verdrehtem Doppelschicht-Graphen. Der Mott-Isolatorzustand hat einen Verdrehungswinkel von etwa 0,93 Grad. Dieser Winkel ist 15 % kleiner als der in der vorherigen Studie berechnete „magische Winkel“ (1,1°). Diese Studie zeigt, dass der Bereich des „magischen Winkels“ von verdrehtem Doppelschicht-Graphen größer ist als bisher erwartet.
Diese Studie liefert eine Fülle neuer Informationen zur Entschlüsselung der starken Quantenphänomene in verdrehtem Doppelschicht-Graphen für Anwendungen in der Quantenphysik. Physiker definieren „Twistronics“ als den relativen Verdrehungswinkel zwischen benachbarten Van-der-Waals-Schichten, um Moiré- und flache Bänder in Graphen zu erzeugen. Dieses Konzept hat sich zu einer neuen und einzigartigen Methode entwickelt, um die Eigenschaften von Geräten auf der Grundlage zweidimensionaler Materialien erheblich zu verändern und anzupassen, um einen Stromfluss zu erreichen. Der bemerkenswerte Effekt von „Twistronics“ wurde in der bahnbrechenden Arbeit der Forscher veranschaulicht, die zeigten, dass, wenn zwei einschichtige Graphenschichten in einem „magischen Winkel“-Verdrillungswinkel von θ=1,1 ± 0,1° gestapelt werden, ein sehr flaches Band entsteht. .
In dieser Studie war im verdrillten Bilayer-Graphen (TBLG) die isolierende Phase des ersten Mikrostreifens (Strukturmerkmal) des Übergitters im „magischen Winkel“ halbgefüllt. Das Forschungsteam stellte fest, dass es sich um einen Mott-Isolator (einen Isolator mit supraleitenden Eigenschaften) handelt, der bei etwas höheren und niedrigeren Dotierungsniveaus Supraleitung aufweist. Das Phasendiagramm zeigt den Hochtemperatursupraleiter zwischen der supraleitenden Übergangstemperatur (Tc) und der Fermi-Temperatur (Tf). Diese Forschung führte zu großem Interesse und theoretischer Debatte über die Struktur, Topologie und weitere „Magic Angle“-Halbleitersysteme von Graphen. Im Vergleich zum ursprünglichen theoretischen Bericht ist experimentelle Forschung selten und hat gerade erst begonnen. In dieser Studie führte das Team Transmissionsmessungen an der im „magischen Winkel“ verdrehten Graphendoppelschicht durch, die die relevanten isolierenden und supraleitenden Zustände zeigte.
Ein unerwartet verzerrter Winkel von 0,93 ± 0,01, der 15 % kleiner ist als der etablierte „Magische Winkel“, ist auch der kleinste bisher gemeldete Winkel und weist supraleitende Eigenschaften auf. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der neue Korrelationszustand in der verdrehten Graphendoppelschicht „Magic Angle“ auftreten kann, die niedriger als der primäre „magische Winkel“ jenseits des ersten Graphen-Mikrostreifens liegt. Um diese „magischen Horn“-Geräte aus verdrilltem Doppelschicht-Graphen zu bauen, verwendete das Team einen „Tear-and-Stack“-Ansatz. Die Struktur zwischen den Schichten aus hexagonalem Bornitrid (BN) ist eingekapselt; in einer Hall-Stabgeometrie mit mehreren Drähten strukturiert, die mit Cr/Au (Chrom/Gold)-Kantenkontakten verbunden sind. Das gesamte „Magic Angle“-Twisted-Bilayer-Graphen-Gerät wurde auf der Graphenschicht hergestellt, die als Back-Gate dient.
Wissenschaftler verwenden Standard-Gleichstrom- (DC) und Wechselstrom-(AC)-Verriegelungstechniken, um Geräte in gepumpten HE4- und HE3-Kryostaten zu messen. Das Team zeichnete die Beziehung zwischen dem Längswiderstand (Rxx) des Geräts und dem erweiterten Gate-Spannungsbereich (VG) auf und berechnete das Magnetfeld B bei einer Temperatur von 1,7 K. Es wurde beobachtet, dass eine kleine Elektron-Loch-Asymmetrie eine inhärente Eigenschaft des verdrillten Doppelschicht-Graphengeräts „Magic Angle“ ist. Wie in früheren Berichten beobachtet, hat das Team diese Ergebnisse aufgezeichnet und die Berichte detailliert beschrieben, die bisher supraleitend waren. Der charakteristische „Magic Angle“ verdreht den minimalen Torsionswinkel des zweischichtigen Graphengeräts. Bei einer genaueren Untersuchung der Landau-Fächerkarte gelangten die Forscher zu einigen bemerkenswerten Merkmalen.
Beispielsweise stimmen der Peak bei halber Füllung und die zweifache Entartung des Landau-Niveaus mit den zuvor beobachteten Moment-ähnlichen Isolationszuständen überein. Das Team zeigte einen Bruch in der Symmetrie des ungefähren Spintals SU(4) und die Bildung einer neuen Quasiteilchen-Fermi-Oberfläche. Die Details bedürfen jedoch einer genaueren Betrachtung. Es wurde auch das Auftreten von Supraleitung beobachtet, die ähnlich wie in früheren Studien den Rxx (Längswiderstand) erhöhte. Anschließend untersuchte das Team die kritische Temperatur (Tc) der supraleitenden Phase. Da in dieser Probe keine Daten zur optimalen Dotierung von Supraleitern erhoben wurden, gingen die Wissenschaftler von einer kritischen Temperatur von bis zu 0,5 K aus. Diese Geräte werden jedoch wirkungslos, bis sie klare Daten aus dem supraleitenden Zustand erhalten. Um den supraleitenden Zustand weiter zu untersuchen, haben die Forscher die Spannungs-Strom-Charakteristik (VI) der vier Anschlüsse des Geräts bei verschiedenen Trägerdichten gemessen.
Der erhaltene Widerstand zeigt, dass Superströme über einen größeren Dichtebereich beobachtet werden und zeigt die Unterdrückung von Superströmen, wenn ein paralleles Magnetfeld angelegt wird. Um Einblicke in das in der Studie beobachtete Verhalten zu erhalten, berechneten die Forscher die Moir-Bandstruktur des verdrillten Doppelschicht-Graphengeräts „Magic Angle“ mithilfe des Bistritzer-MacDonald-Modells und verbesserter Parameter. Im Vergleich zur vorherigen Berechnung des „Magic Angle“-Winkels ist das berechnete Niedrigenergie-Moire-Band nicht vom Hochenergieband isoliert. Obwohl der Verdrehungswinkel des Geräts kleiner ist als der an anderer Stelle berechnete „magische Winkel“, weist das Gerät ein Phänomen auf, das stark mit früheren Studien (Mort-Isolierung und Supraleitung) zusammenhängt und das die Physiker als unerwartet und machbar erachteten.
Nach einer weiteren Auswertung des Verhaltens bei großen Dichten (der Anzahl der bei jeder Energie verfügbaren Zustände) werden die von den Wissenschaftlern beobachteten Eigenschaften den neu entstehenden zugehörigen Isolationszuständen zugeschrieben. Zukünftig wird eine detailliertere Untersuchung der Zustandsdichte (DOS) durchgeführt, um die seltsamen Isolationszustände zu verstehen und festzustellen, ob sie als Quantenspinflüssigkeiten klassifiziert werden können. Auf diese Weise beobachteten Wissenschaftler Supraleitung nahe dem Mox-ähnlichen Isolationszustand in einem verdrillten Doppelschicht-Graphenbauelement mit einem kleinen Verdrillungswinkel (0,93°). Diese Studie zeigt, dass selbst bei solch kleinen Winkeln und hohen Dichten der Effekt der Elektronenkorrelation auf die Eigenschaften von Moiré derselbe ist. Zukünftig sollen die Spintäler der isolierenden Phase und eine neue supraleitende Phase bei niedrigerer Temperatur untersucht werden. Experimentelle Forschung wird mit theoretischen Bemühungen kombiniert, um den Ursprung dieses Verhaltens zu verstehen.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 08.10.2019