Das Verhalten von Mohr-Streifen und flachen Bändern in verdrehtem zweilagigem Graphen (TBLG), das in der Wissenschaft und Quantenphysik als „magischer Winkel“ bezeichnet wird, hat großes Interesse bei Wissenschaftlern geweckt, obwohl viele seiner Eigenschaften kontrovers diskutiert werden. In einer neuen Studie, die in der Fachzeitschrift Science Progress veröffentlicht wurde, beobachteten Emilio Colledo und Wissenschaftler der Fachbereiche Physik und Materialwissenschaften in den USA und Japan Supraleitung und ähnliche Phänomene in verdrehtem zweilagigem Graphen. Der Mott-Isolatorzustand weist einen Verdrehwinkel von etwa 0,93 Grad auf. Dieser Winkel ist 15 % kleiner als der in einer früheren Studie berechnete „magische Winkel“ (1,1°). Die Studie zeigt, dass der Bereich des „magischen Winkels“ von verdrehtem zweilagigem Graphen größer ist als bisher angenommen.
Diese Studie liefert eine Fülle neuer Erkenntnisse zur Entschlüsselung der starken Quantenphänomene in verdrehtem zweilagigem Graphen für Anwendungen in der Quantenphysik. Physiker definieren „Twistronik“ als den relativen Verdrehwinkel zwischen benachbarten Van-der-Waals-Schichten, der Moiré-Muster und flache Bänder in Graphen erzeugt. Dieses Konzept hat sich zu einer neuen und einzigartigen Methode entwickelt, um die Eigenschaften von Bauelementen auf Basis zweidimensionaler Materialien signifikant zu verändern und anzupassen, um einen Stromfluss zu erzielen. Der bemerkenswerte Effekt der „Twistronik“ wurde in der Pionierarbeit der Forscher exemplarisch demonstriert, indem gezeigt wurde, dass beim Stapeln zweier einlagiger Graphenschichten mit einem „magischen Winkel“ von θ = 1,1 ± 0,1° ein sehr flaches Band entsteht.
In dieser Studie wurde in verdrehtem zweilagigem 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 leicht höheren und niedrigeren Dotierungsgraden Supraleitung zeigt. Das Phasendiagramm zeigt den Hochtemperatur-Supraleiter zwischen der supraleitenden Übergangstemperatur (Tc) und der Fermi-Temperatur (Tf). Diese Forschung führte zu großem Interesse und theoretischen Diskussionen über die Bandstruktur und Topologie von Graphen sowie über weitere Halbleitersysteme im „magischen Winkel“. Im Vergleich zu den ursprünglichen theoretischen Arbeiten ist die experimentelle Forschung selten und steht noch am Anfang. In dieser Studie führte das Team Transmissionsmessungen an dem im „magischen Winkel“ verdrehten zweilagigen Graphen durch und zeigte die relevanten isolierenden und supraleitenden Zustände.
Ein unerwartet verzerrter Winkel von 0,93 ± 0,01°, der 15 % kleiner ist als der etablierte „magische Winkel“, ist der kleinste bisher berichtete Wert und weist supraleitende Eigenschaften auf. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der neue Korrelationszustand in verdrehtem zweilagigem Graphen mit „magischem Winkel“ unterhalb des primären „magischen Winkels“ jenseits des ersten Graphen-Mikrostreifens auftreten kann. Zur Herstellung dieser „magischen Horn“-Bauelemente aus verdrehtem zweilagigem Graphen verwendete das Team ein „Abreiß- und Stapelverfahren“. Die Struktur zwischen den hexagonalen Bornitrid-(BN)-Schichten wird verkapselt und in eine Hall-Stab-Geometrie mit mehreren Drähten strukturiert, die an Cr/Au-(Chrom/Gold)-Randkontakte gekoppelt sind. Das gesamte Bauelement aus verdrehtem zweilagigem Graphen mit „magischem Winkel“ wurde auf der als Rückseiten-Gate verwendeten Graphenschicht gefertigt.
Wissenschaftler nutzten Standardverfahren zur Gleichstrom- (DC) und Wechselstrom- (AC) Verriegelung, um Bauelemente in gepumpten HE4- und HE3-Kryostaten zu vermessen. Das Team erfasste den Zusammenhang zwischen dem Längswiderstand (Rxx) des Bauelements und dem erweiterten Gate-Spannungsbereich (VG) und berechnete das Magnetfeld B bei einer Temperatur von 1,7 K. Eine geringe Elektron-Loch-Asymmetrie erwies sich als inhärente Eigenschaft des verdrillten zweilagigen Graphenbauelements mit dem charakteristischen „Magischen Winkel“. Wie bereits in früheren Berichten beschrieben, bestätigte das Team diese Ergebnisse und erläuterte die bisher bekannten supraleitenden Bauelemente. Der charakteristische „Magische Winkel“ verdrillt den minimalen Torsionswinkel des zweilagigen Graphenbauelements. Eine genauere Betrachtung des Landau-Fächerdiagramms lieferte den Forschern einige bemerkenswerte Erkenntnisse.
Beispielsweise stimmen der Peak bei halber Füllung und die zweifache Entartung des Landau-Niveaus mit den zuvor beobachteten momentartigen Isolationszuständen überein. Das Team zeigte einen Symmetriebruch des approximativen Spin-Valley-SU(4)-Niveaus und die Bildung einer neuen Quasiteilchen-Fermi-Fläche. Die Details erfordern jedoch eine genauere Untersuchung. Es wurde auch das Auftreten von Supraleitung beobachtet, die, ähnlich wie in früheren Studien, den Längswiderstand Rxx erhöhte. Anschließend untersuchte das Team die kritische Temperatur (Tc) der supraleitenden Phase. Da für diese Probe keine Daten zur optimalen Dotierung von Supraleitern vorlagen, nahmen die Wissenschaftler eine kritische Temperatur von bis zu 0,5 K an. Diese Bauelemente sind jedoch erst dann effektiv, wenn eindeutige Daten zum supraleitenden Zustand gewonnen werden können. Um den supraleitenden Zustand weiter zu untersuchen, maßen die Forscher die Vierpunkt-Strom-Spannungs-Kennlinie (V-I-Kennlinie) des Bauelements bei verschiedenen Ladungsträgerdichten.
Der ermittelte Widerstand zeigt, dass Suprastrom über einen größeren Dichtebereich auftritt und durch ein paralleles Magnetfeld unterdrückt wird. Um das beobachtete Verhalten zu verstehen, berechneten die Forscher die Moir-Bandstruktur des verdrehten Graphen-Bilayer-Bauelements mit dem „magischen Winkel“ mithilfe des Bistriitzer-MacDonald-Modells und verbesserter Parameter. Im Vergleich zu früheren Berechnungen des „magischen Winkels“ ist das berechnete niederenergetische Moir-Band nicht vom hochenergetischen Band isoliert. Obwohl der Verdrehwinkel des Bauelements kleiner ist als der andernorts berechnete „magische Winkel“, weist es ein Phänomen auf, das stark mit früheren Studien (Mort-Isolation und Supraleitung) verwandt ist und von Physikern als unerwartet und plausibel eingestuft wurde.
Nach eingehender Untersuchung des Verhaltens bei hohen Dichten (Anzahl der Zustände pro Energie) werden die beobachteten Eigenschaften den neu auftretenden assoziierten Isolationszuständen zugeschrieben. Zukünftig soll die Zustandsdichte (DOS) detaillierter untersucht werden, um den ungewöhnlichen Isolationszustand zu verstehen und zu klären, ob er als Quantenspinflüssigkeit klassifiziert werden kann. Dabei beobachteten Wissenschaftler Supraleitung nahe dem Mox-ähnlichen Isolationszustand in einem verdrehten zweilagigen Graphenbauelement mit einem kleinen Verdrehwinkel (0,93°). Diese Studie zeigt, dass der Einfluss der Elektronenkorrelation auf die Moiré-Eigenschaften selbst bei solch kleinen Winkeln und hohen Dichten gleich bleibt. Zukünftig sollen die Spin-Täler der Isolationsphase sowie eine neue supraleitende Phase bei niedrigeren Temperaturen untersucht werden. Experimentelle Forschung wird mit theoretischen Ansätzen kombiniert, um den Ursprung dieses Verhaltens zu verstehen.
Veröffentlichungsdatum: 08.10.2019