Η συμπεριφορά των λωρίδων Mohr και των επίπεδων ζωνών στην επιστήμη της επιστήμης και της κβαντικής φυσικής που ονομάζεται "Magic Angle" στριμμένο διπλοστρωματικό γραφένιο (TBLG) έχει προσελκύσει μεγάλο ενδιαφέρον από τους επιστήμονες, αν και πολλές ιδιότητες αντιμετωπίζουν έντονες συζητήσεις. Σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Science Progress, ο Emilio Colledo και οι επιστήμονες του Τμήματος Φυσικής και Επιστήμης Υλικών στις Ηνωμένες Πολιτείες και την Ιαπωνία παρατήρησαν υπεραγωγιμότητα και αναλογία σε συνεστραμμένο διπλοστοιβάδα γραφένιο. Η κατάσταση μονωτή Mott έχει γωνία περιστροφής περίπου 0,93 μοίρες. Αυτή η γωνία είναι 15% μικρότερη από τη γωνία «μαγικής γωνίας» (1,1°) που υπολογίστηκε στην προηγούμενη μελέτη. Αυτή η μελέτη δείχνει ότι το εύρος της «μαγικής γωνίας» του συνεστραμμένου διπλού στρώματος γραφενίου είναι μεγαλύτερο από ό,τι αναμενόταν προηγουμένως.
Αυτή η μελέτη παρέχει πληθώρα νέων πληροφοριών για την αποκρυπτογράφηση των ισχυρών κβαντικών φαινομένων στο συνεστραμμένο διπλοστιβαδικό γραφένιο για εφαρμογές στην κβαντική φυσική. Οι φυσικοί ορίζουν το "Twistronics" ως τη σχετική γωνία συστροφής μεταξύ γειτονικών στρωμάτων van der Waals για την παραγωγή moiré και επίπεδων λωρίδων σε γραφένιο. Αυτή η ιδέα έχει γίνει μια νέα και μοναδική μέθοδος για σημαντική αλλαγή και προσαρμογή των ιδιοτήτων της συσκευής με βάση δισδιάστατα υλικά για την επίτευξη ροής ρεύματος. Το αξιοσημείωτο αποτέλεσμα του «Twistronics» αποδείχθηκε στην πρωτοποριακή εργασία των ερευνητών, δείχνοντας ότι όταν δύο στρώματα γραφενίου μονής στρώσης στοιβάζονται σε γωνία περιστροφής «μαγικής γωνίας» θ=1,1±0,1°, εμφανίζεται μια πολύ επίπεδη ταινία. .
Σε αυτή τη μελέτη, στο συνεστραμμένο γραφένιο διπλής στιβάδας (TBLG), η μονωτική φάση της πρώτης μικρολωρίδας (δομικό χαρακτηριστικό) του υπερδικτυώματος στη «μαγική γωνία» ήταν ημι-γεμισμένη. Η ερευνητική ομάδα διαπίστωσε ότι πρόκειται για έναν μονωτή Mott (ένας μονωτή με υπεραγώγιμες ιδιότητες) που εμφανίζει υπεραγωγιμότητα σε ελαφρώς υψηλότερα και χαμηλότερα επίπεδα ντόπινγκ. Το διάγραμμα φάσης δείχνει τον υπεραγωγό υψηλής θερμοκρασίας μεταξύ της θερμοκρασίας μετάπτωσης υπεραγώγιμου (Tc) και της θερμοκρασίας Fermi (Tf). Αυτή η έρευνα οδήγησε σε μεγάλο ενδιαφέρον και θεωρητική συζήτηση σχετικά με τη δομή της ζώνης γραφενίου, την τοπολογία και τα πρόσθετα συστήματα ημιαγωγών «Magic Angle». Σε σύγκριση με την αρχική θεωρητική έκθεση, η πειραματική έρευνα είναι σπάνια και μόλις ξεκίνησε. Σε αυτή τη μελέτη, η ομάδα πραγματοποίησε μετρήσεις μετάδοσης στη «μαγική γωνία» συνεστραμμένου διπλού στρώματος γραφενίου που δείχνει τις σχετικές μονωτικές και υπεραγώγιμες καταστάσεις.
Μια απροσδόκητα παραμορφωμένη γωνία 0,93 ± 0,01, η οποία είναι 15% μικρότερη από την καθιερωμένη «Μαγική γωνία», είναι επίσης η μικρότερη που έχει αναφερθεί μέχρι σήμερα και εμφανίζει υπεραγώγιμες ιδιότητες. Αυτά τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι η νέα κατάσταση συσχέτισης μπορεί να εμφανιστεί στο στριμμένο διπλό στρώμα γραφενίου «Magic Angle», χαμηλότερα από την κύρια «μαγική γωνία», πέρα από την πρώτη μικρολωρίδα γραφενίου. Για να κατασκευάσει αυτές τις συσκευές στριμμένου διπλού στρώματος γραφενίου «μαγικού κέρατος», η ομάδα χρησιμοποίησε μια προσέγγιση «σκίσιμο και στοίβα». Η δομή μεταξύ των εξαγωνικών στρωμάτων νιτριδίου του βορίου (ΒΝ) είναι ενθυλακωμένη. με μοτίβο γεωμετρίας ράβδου Hall με πολλαπλά καλώδια συνδεδεμένα με ακμές επαφές Cr/Au (χρώμιο/χρυσό). Ολόκληρη η συσκευή στριμμένης διπλής στιβάδας γραφενίου «Magic Angle» κατασκευάστηκε πάνω από το στρώμα γραφενίου που χρησιμοποιήθηκε ως πίσω πύλη.
Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν τυπικές τεχνικές κλειδώματος συνεχούς ρεύματος (DC) και εναλλασσόμενου ρεύματος (AC) για τη μέτρηση συσκευών σε αντλούμενους κρυοστάτες HE4 και HE3. Η ομάδα κατέγραψε τη σχέση μεταξύ της διαμήκους αντίστασης της συσκευής (Rxx) και του εύρους εκτεταμένης τάσης πύλης (VG) και υπολόγισε το μαγνητικό πεδίο Β σε θερμοκρασία 1,7 Κ. Η ασυμμετρία μικρής οπής ηλεκτρονίου παρατηρήθηκε ότι είναι μια εγγενής ιδιότητα της συσκευής στριμμένης διπλής στιβάδας γραφενίου "Magic Angle". Όπως παρατηρήθηκε σε προηγούμενες εκθέσεις, η ομάδα κατέγραψε αυτά τα αποτελέσματα και λεπτομερώς τις αναφορές που ήταν υπεραγώγιμες μέχρι στιγμής. Η χαρακτηριστική "Μαγική γωνία" περιστρέφει την ελάχιστη γωνία στρέψης της συσκευής γραφενίου διπλής στιβάδας. Με μια πιο προσεκτική εξέταση του χάρτη θαυμαστών του Landau, οι ερευνητές απέκτησαν μερικά αξιοσημείωτα χαρακτηριστικά.
Για παράδειγμα, η κορυφή στο μισό γέμισμα και ο διπλός εκφυλισμός του επιπέδου Landau είναι συνεπείς με τις προηγουμένως παρατηρηθείσες καταστάσεις μόνωσης που μοιάζουν με τη στιγμή. Η ομάδα έδειξε ένα διάλειμμα στη συμμετρία της κατά προσέγγιση κοιλάδας spin SU(4) και το σχηματισμό μιας νέας επιφάνειας Fermi οιονεί σωματιδίων. Ωστόσο, οι λεπτομέρειες απαιτούν πιο λεπτομερή έλεγχο. Παρατηρήθηκε επίσης η εμφάνιση υπεραγωγιμότητας, η οποία αύξησε το Rxx (διαμήκη αντίσταση), παρόμοια με προηγούμενες μελέτες. Στη συνέχεια, η ομάδα εξέτασε την κρίσιμη θερμοκρασία (Tc) της υπεραγώγιμης φάσης. Δεδομένου ότι δεν ελήφθησαν δεδομένα για βέλτιστο ντόπινγκ υπεραγωγών σε αυτό το δείγμα, οι επιστήμονες υπέθεσαν μια κρίσιμη θερμοκρασία έως και 0,5 Κ. Ωστόσο, αυτές οι συσκευές καθίστανται αναποτελεσματικές μέχρι να μπορέσουν να λάβουν καθαρά δεδομένα από την υπεραγώγιμη κατάσταση. Για να διερευνήσουν περαιτέρω την κατάσταση υπεραγωγιμότητας, οι ερευνητές μέτρησαν τα χαρακτηριστικά τάσης-ρεύματος τεσσάρων τερματικών (VI) της συσκευής σε διαφορετικές πυκνότητες φορέα.
Η αντίσταση που λαμβάνεται δείχνει ότι το υπερ ρεύμα παρατηρείται σε μεγαλύτερο εύρος πυκνότητας και δείχνει την καταστολή του υπερ ρεύματος όταν εφαρμόζεται ένα παράλληλο μαγνητικό πεδίο. Για να αποκτήσουν πληροφορίες σχετικά με τη συμπεριφορά που παρατηρήθηκε στη μελέτη, οι ερευνητές υπολόγισαν τη δομή της ζώνης Moir της συσκευής στριμμένης διπλής στιβάδας γραφενίου «Magic Angle» χρησιμοποιώντας το μοντέλο Bistritzer-MacDonald και βελτίωσαν τις παραμέτρους. Σε σύγκριση με τον προηγούμενο υπολογισμό της γωνίας "Magic Angle", η υπολογιζόμενη ζώνη χαμηλής ενέργειας Moire δεν απομονώνεται από τη ζώνη υψηλής ενέργειας. Αν και η γωνία περιστροφής της συσκευής είναι μικρότερη από τη γωνία «μαγικής γωνίας» που υπολογίζεται αλλού, η συσκευή έχει ένα φαινόμενο που σχετίζεται στενά με προηγούμενες μελέτες (μόνωση Mort και υπεραγωγιμότητα), το οποίο οι φυσικοί βρήκαν ότι ήταν απροσδόκητο και εφικτό.
Μετά την περαιτέρω αξιολόγηση της συμπεριφοράς σε μεγάλες πυκνότητες (ο αριθμός των διαθέσιμων καταστάσεων σε κάθε ενέργεια), τα χαρακτηριστικά που παρατηρούνται από τους επιστήμονες αποδίδονται στις νεοεμφανιζόμενες σχετιζόμενες καταστάσεις μόνωσης. Στο μέλλον, θα διεξαχθεί μια πιο λεπτομερής μελέτη της πυκνότητας των καταστάσεων (DOS) για να κατανοηθεί η περίεργη κατάσταση της μόνωσης και να καθοριστεί εάν μπορούν να ταξινομηθούν ως υγρά κβαντικής περιστροφής. Με αυτόν τον τρόπο, οι επιστήμονες παρατήρησαν υπεραγωγιμότητα κοντά στην κατάσταση μόνωσης τύπου Mox σε μια συσκευή στριμμένης διπλής στιβάδας γραφενίου με μικρή γωνία συστροφής (0,93°). Αυτή η μελέτη δείχνει ότι ακόμη και σε τόσο μικρές γωνίες και υψηλές πυκνότητες, η επίδραση της συσχέτισης ηλεκτρονίων στις ιδιότητες του μουαρέ είναι η ίδια. Στο μέλλον θα μελετηθούν οι κοιλάδες περιστροφής της φάσης μόνωσης και μια νέα υπεραγώγιμη φάση θα μελετηθεί σε χαμηλότερη θερμοκρασία. Η πειραματική έρευνα θα συνδυαστεί με θεωρητικές προσπάθειες για την κατανόηση της προέλευσης αυτής της συμπεριφοράς.
Ώρα δημοσίευσης: Οκτ-08-2019