El comportamiento de las rayas de Mohr y los cinturones planos en la ciencia y la física cuántica, llamado grafeno bicapa retorcido de “ángulo mágico” (TBLG), ha despertado un gran interés por parte de los científicos, aunque muchas propiedades enfrentan acalorados debates. En un nuevo estudio publicado en la revista Science Progress, Emilio Colledo y científicos del Departamento de Física y Ciencia de Materiales de Estados Unidos y Japón observaron superconductividad y analogía en el grafeno bicapa retorcido. El estado del aislante Mott tiene un ángulo de torsión de aproximadamente 0,93 grados. Este ángulo es un 15% más pequeño que el ángulo del “ángulo mágico” (1,1°) calculado en el estudio anterior. Este estudio muestra que el rango del "ángulo mágico" del grafeno bicapa retorcido es mayor de lo esperado anteriormente.
Este estudio proporciona una gran cantidad de información nueva para descifrar los fuertes fenómenos cuánticos en el grafeno bicapa retorcido para aplicaciones en física cuántica. Los físicos definen la "Twistronics" como el ángulo de torsión relativo entre capas adyacentes de Van der Waals para producir muaré y bandas planas en grafeno. Este concepto se ha convertido en un método nuevo y único para cambiar y personalizar significativamente las propiedades de los dispositivos basados en materiales bidimensionales para lograr el flujo de corriente. El notable efecto de "Twistronics" quedó ejemplificado en el trabajo pionero de los investigadores, que demostraron que cuando dos capas de grafeno de una sola capa se apilan en un ángulo de torsión de "ángulo mágico" de θ=1,1±0,1°, aparece una banda muy plana. .
En este estudio, en el grafeno bicapa retorcido (TBLG), la fase aislante de la primera microcinta (característica estructural) de la superred en el "ángulo mágico" estaba semillena. El equipo de investigación determinó que se trata de un aislante Mott (un aislante con propiedades superconductoras) que exhibe superconductividad en niveles de dopaje ligeramente superiores e inferiores. El diagrama de fases muestra el superconductor de alta temperatura entre la temperatura de transición del superconductor (Tc) y la temperatura de Fermi (Tf). Esta investigación generó un gran interés y debate teórico sobre la estructura de la banda de grafeno, la topología y los sistemas semiconductores adicionales de "ángulo mágico". En comparación con el informe teórico original, la investigación experimental es poco común y apenas ha comenzado. En este estudio, el equipo realizó mediciones de transmisión en el grafeno bicapa retorcido de “ángulo mágico” que muestra los estados aislantes y superconductores relevantes.
Un ángulo inesperadamente distorsionado de 0,93 ± 0,01, que es un 15% más pequeño que el "ángulo mágico" establecido, es también el más pequeño registrado hasta la fecha y exhibe propiedades superconductoras. Estos resultados indican que el nuevo estado de correlación puede aparecer en el grafeno bicapa retorcido "Ángulo Mágico", más bajo que el "ángulo mágico" primario, más allá de la primera microtira de grafeno. Para construir estos dispositivos de grafeno bicapa retorcido de “cuerno mágico”, el equipo utilizó un enfoque de “rasgar y apilar”. La estructura entre las capas hexagonales de nitruro de boro (BN) está encapsulada; modelado en una geometría de varilla Hall con múltiples cables acoplados a contactos de borde de Cr/Au (cromo/oro). Todo el dispositivo de grafeno bicapa retorcido “Magic Angle” se fabricó sobre la capa de grafeno utilizada como puerta trasera.
Los científicos utilizan técnicas estándar de bloqueo de corriente continua (CC) y corriente alterna (CA) para medir dispositivos en criostatos bombeados HE4 y HE3. El equipo registró la relación entre la resistencia longitudinal del dispositivo (Rxx) y el rango de voltaje de puerta extendido (VG) y calculó el campo magnético B a una temperatura de 1,7 K. Se observó que la asimetría de los pequeños agujeros de electrones era una propiedad inherente del dispositivo de grafeno bicapa retorcido "Magic Angle". Como se observó en informes anteriores, el equipo registró estos resultados y detalló los informes que han sido superconductores hasta el momento. El característico “Ángulo Mágico” tuerce el ángulo de torsión mínimo del dispositivo de grafeno bicapa. Al examinar más de cerca el diagrama en abanico de Landau, los investigadores descubrieron algunas características notables.
Por ejemplo, el pico a la mitad del llenado y la doble degeneración del nivel de Landau son consistentes con los estados de aislamiento tipo momento observados anteriormente. El equipo mostró una ruptura en la simetría del valle de espín aproximado SU(4) y la formación de una nueva superficie de Fermi de cuasipartícula. Sin embargo, los detalles requieren una inspección más detallada. También se observó la aparición de superconductividad, que aumentó la Rxx (resistencia longitudinal), similar a estudios anteriores. Luego, el equipo examinó la temperatura crítica (Tc) de la fase superconductora. Como no se obtuvieron datos sobre el dopaje óptimo de los superconductores en esta muestra, los científicos supusieron una temperatura crítica de hasta 0,5 K. Sin embargo, estos dispositivos se vuelven ineficaces hasta que puedan obtener datos claros del estado superconductor. Para investigar más a fondo el estado superconductor, los investigadores midieron las características de voltaje-corriente (VI) de cuatro terminales del dispositivo en diferentes densidades de portadora.
La resistencia obtenida muestra que se observa supercorriente en un rango de densidad más amplio y muestra la supresión de la supercorriente cuando se aplica un campo magnético paralelo. Para obtener información sobre el comportamiento observado en el estudio, los investigadores calcularon la estructura de la banda Moir del dispositivo de grafeno bicapa retorcido "Magic Angle" utilizando el modelo Bistritzer-MacDonald y parámetros mejorados. En comparación con el cálculo anterior del ángulo "Ángulo Mágico", la banda Moiré de baja energía calculada no está aislada de la banda de alta energía. Aunque el ángulo de giro del dispositivo es menor que el ángulo de "ángulo mágico" calculado en otros lugares, el dispositivo tiene un fenómeno que está fuertemente relacionado con estudios anteriores (aislamiento de Mort y superconductividad), que los físicos consideraron inesperado y factible.
Después de evaluar más a fondo el comportamiento a grandes densidades (el número de estados disponibles en cada energía), las características observadas por los científicos se atribuyen a los estados de aislamiento asociados recientemente emergentes. En el futuro, se llevará a cabo un estudio más detallado de la densidad de estados (DOS) para comprender el estado impar del aislamiento y determinar si pueden clasificarse como líquidos de espín cuántico. De esta manera, los científicos observaron superconductividad cerca del estado aislante similar a Mox en un dispositivo de grafeno bicapa retorcido con un pequeño ángulo de torsión (0,93°). Este estudio muestra que incluso en ángulos tan pequeños y densidades tan altas, el efecto de la correlación electrónica sobre las propiedades del muaré es el mismo. En el futuro se estudiarán los valles de espín de la fase aislante y se estudiará una nueva fase superconductora a menor temperatura. Se combinarán investigaciones experimentales con esfuerzos teóricos para comprender el origen de este comportamiento.
Hora de publicación: 08-oct-2019