Mohrin raitojen ja litteiden vyöhykkeiden käyttäytyminen luonnontieteissä ja kvanttifysiikassa, jota kutsutaan "maagiseksi kulmaksi" kierretyksi kaksikerroksiseksi grafeeniksi (TBLG), on herättänyt suurta kiinnostusta tiedemiesten keskuudessa, vaikka monet ominaisuudet ovatkin kiivaan keskustelun kohteena. Science Progress -lehdessä julkaistussa uudessa tutkimuksessa Emilio Colledo ja fysiikan ja materiaalitieteen laitoksen tutkijat Yhdysvalloissa ja Japanissa havaitsivat kierretyssä kaksikerroksisessa grafeenissa suprajohtavuutta ja analogiaa. Mott-eristetilan kiertymiskulma on noin 0,93 astetta. Tämä kulma on 15 % pienempi kuin edellisessä tutkimuksessa laskettu "maaginen kulma" (1,1°). Tämä tutkimus osoittaa, että kierretyn kaksikerroksisen grafeenin "maagisen kulman" alue on aiemmin odotettua suurempi.
Tämä tutkimus tarjoaa runsaasti uutta tietoa kiertyneen kaksikerroksisen grafeenin voimakkaiden kvantti-ilmiöiden tulkitsemiseen kvanttifysiikan sovelluksia varten. Fyysikot määrittelevät "twistronician" vierekkäisten van der Waals -kerrosten väliseksi suhteelliseksi kiertymiskulmaksi, joka tuottaa moiré-ilmiötä ja litteitä nauhoja grafeeniin. Tästä konseptista on tullut uusi ja ainutlaatuinen menetelmä kaksiulotteisiin materiaaleihin perustuvien laitteiden ominaisuuksien merkittävään muuttamiseen ja mukauttamiseen virran saavuttamiseksi. "Twistronician" merkittävä vaikutus oli esimerkki tutkijoiden uraauurtavasta työstä, joka osoitti, että kun kaksi yksikerroksista grafeenikerrosta pinotaan "taikakulmaan" θ = 1,1 ± 0,1°:n kiertymiskulmalla, syntyy erittäin litteä nauha.
Tässä tutkimuksessa kierretyssä kaksikerroksisessa grafeenissa (TBLG) superhilan ensimmäisen mikroliuskan (rakenteellinen piirre) eristävä faasi "taikakulmassa" oli puoliksi täytetty. Tutkimusryhmä totesi, että kyseessä on Mott-eriste (eriste, jolla on suprajohtavia ominaisuuksia), jolla on suprajohtavuutta hieman korkeammilla ja matalammilla seostustasoilla. Faasidiagrammi näyttää korkean lämpötilan suprajohteen suprajohtavan siirtymälämpötilan (Tc) ja Fermin lämpötilan (Tf) välillä. Tämä tutkimus herätti suurta kiinnostusta ja teoreettista keskustelua grafeenin vyöhykkeen rakenteesta, topologiasta ja muista "taikakulma"-puolijohdejärjestelmistä. Alkuperäiseen teoreettiseen raporttiin verrattuna kokeellinen tutkimus on harvinaista ja vasta alkanut. Tässä tutkimuksessa ryhmä suoritti läpäisymittauksia "taikakulma"-kierretyllä kaksikerroksisella grafeenilla, jotka osoittivat asiaankuuluvat eristävät ja suprajohtavat tilat.
Odottamattoman vääristynyt 0,93 ± 0,01 kulma, joka on 15 % pienempi kuin vakiintunut ”taikakulma”, on myös tähän mennessä raportoitu pienin ja sillä on suprajohtavia ominaisuuksia. Nämä tulokset osoittavat, että uusi korrelaatiotila voi ilmetä ”taikakulma”-kierretyssä kaksikerroksisessa grafeenissa, primaarista ”taikakulmaa” alhaisemmalla tasolla, grafeenin ensimmäisen mikroliuskan ulkopuolella. Näiden ”taikasarvi”-kierrettyjen kaksikerroksisten grafeenilaitteiden rakentamiseksi tiimi käytti ”repäisy- ja pinoamismenetelmää”. Kuusikulmaisten boorinitridi (BN) -kerrosten välinen rakenne on kapseloitu Hall-sauvageometriaksi useilla langoilla, jotka on kytketty Cr/Au (kromi/kulta) -reunakontakteihin. Koko ”taikakulma”-kierretty kaksikerroksinen grafeenilaite valmistettiin takaporttina käytetyn grafeenikerroksen päälle.
Tutkijat käyttävät standardoituja tasavirran (DC) ja vaihtovirran (AC) lukitustekniikoita pumpattujen HE4- ja HE3-kryostaattien laitteiden mittaamiseen. Tiimi tallensi laitteen pitkittäisresistanssin (Rxx) ja laajennetun hilajännitealueen (VG) välisen suhteen ja laski magneettikentän B 1,7 K:n lämpötilassa. Pienen elektroni-aukko-asymmetrian havaittiin olevan "Magic Angle" -kierretyn kaksikerroksisen grafeenilaitteen luontainen ominaisuus. Kuten aiemmissa raporteissa on havaittu, tiimi tallensi nämä tulokset ja esitti yksityiskohtaisesti raportit, jotka ovat tähän mennessä olleet suprajohtavia. "Magic Angle" -ominaisuus kiertää kaksikerroksisen grafeenilaitteen pienimmän vääntökulman. Tarkastelemalla Landau-viuhkakaaviota tarkemmin tutkijat havaitsivat joitakin merkittäviä piirteitä.
Esimerkiksi puolitäyttöasteen huippu ja Landau-tason kaksinkertainen degeneraatio ovat yhdenmukaisia aiemmin havaittujen momenttimaisten eristystilojen kanssa. Tutkimusryhmä osoitti likimääräisen spinlaakson SU(4):n symmetrian rikkoutumisen ja uuden kvasihiukkasmaisen Fermi-pinnan muodostumisen. Yksityiskohdat vaativat kuitenkin tarkempaa tarkastelua. Havaittiin myös suprajohtavuuden esiintyminen, joka lisäsi Rxx:ää (pitkittäissuuntainen vastus), samoin kuin aiemmissa tutkimuksissa. Tutkimusryhmä tutki sitten suprajohtavan vaiheen kriittistä lämpötilaa (Tc). Koska tässä näytteessä ei saatu tietoja suprajohteiden optimaalisesta seostuksesta, tutkijat olettivat kriittiseksi lämpötilaksi jopa 0,5 K. Nämä laitteet tulevat kuitenkin tehottomiksi, kunnes ne pystyvät saamaan selkeää tietoa suprajohtavasta tilasta. Tutkiakseen suprajohtavaa tilaa tarkemmin tutkijat mittasivat laitteen nelinapaisen jännite-virta (VI) -ominaiskäyrän eri kantoaaltotiheyksillä.
Saatu resistanssi osoittaa, että supervirtaa havaitaan laajemmalla tiheysalueella ja se osoittaa supervirran vaimennusta, kun käytetään rinnakkaista magneettikenttää. Saadakseen käsityksen tutkimuksessa havaitusta käyttäytymisestä tutkijat laskivat "Magic Angle" -kierretyn kaksikerroksisen grafeenilaitteen Moirin vyöhykerakenteen käyttämällä Bistritzer-MacDonald-mallia ja parannettuja parametreja. Verrattuna aiempaan "Magic Angle" -kulman laskentaan, laskettu matalaenerginen Moire-vyöhyke ei ole eristetty korkeaenergisestä vyöhykkeestä. Vaikka laitteen kiertymiskulma on pienempi kuin muualla laskettu "maaginen kulma" -kulma, laitteella on ilmiö, joka liittyy vahvasti aiempiin tutkimuksiin (Mort-eristys ja suprajohtavuus), jonka fyysikot havaitsivat odottamattomaksi ja mahdolliseksi.
Kun käyttäytymistä suurilla tiheyksillä (kullakin energialla käytettävissä olevien tilojen lukumäärä) on arvioitu tarkemmin, tutkijoiden havaitsemat ominaisuudet liitetään uusiin, kehittyviin eristystiloihin. Tulevaisuudessa tehdään yksityiskohtaisempi tilatiheyksien (DOS) tutkimus, jotta ymmärrettäisiin eristyksen parittomia tiloja ja määritettäisiin, voidaanko ne luokitella kvanttispinnesteiksi. Tällä tavoin tutkijat havaitsivat suprajohtavuutta lähellä Mox-tyyppistä eristystilaa kierretyssä kaksikerroksisessa grafeenilaitteessa, jossa on pieni kiertymiskulma (0,93°). Tämä tutkimus osoittaa, että jopa tällaisilla pienillä kulmilla ja suurilla tiheyksillä elektronikorrelaation vaikutus moiré-ilmiön ominaisuuksiin on sama. Tulevaisuudessa tutkitaan eristysfaasin spinlaaksoja ja uutta suprajohtavaa faasia alemmassa lämpötilassa. Kokeellista tutkimusta yhdistetään teoreettisiin pyrkimyksiin tämän käyttäytymisen alkuperän ymmärtämiseksi.
Julkaisun aika: 08.10.2019