Le comportement des bandes de Mohr et des ceintures plates dans la science des sciences et de la physique quantique, appelé graphène bicouche torsadé « Magic Angle » (TBLG), a suscité un grand intérêt de la part des scientifiques, bien que de nombreuses propriétés fassent l'objet de débats houleux. Dans une nouvelle étude publiée dans la revue Science Progress, Emilio Colledo et des scientifiques du Département de physique et de science des matériaux aux États-Unis et au Japon ont observé la supraconductivité et l'analogie dans le graphène bicouche torsadé. L'état isolant de Mott a un angle de torsion d'environ 0,93 degrés. Cet angle est 15 % plus petit que l’angle « angle magique » (1,1°) calculé dans l’étude précédente. Cette étude montre que la plage « d’angle magique » du graphène bicouche torsadé est plus grande que prévu.
Cette étude fournit une multitude de nouvelles informations pour déchiffrer les phénomènes quantiques forts dans le graphène bicouche torsadé pour des applications en physique quantique. Les physiciens définissent la « twistronique » comme l'angle de torsion relatif entre des couches de van der Waals adjacentes pour produire du moiré et des bandes plates dans le graphène. Ce concept est devenu une méthode nouvelle et unique permettant de modifier et de personnaliser de manière significative les propriétés des appareils basées sur des matériaux bidimensionnels afin d'obtenir un flux de courant. L’effet remarquable de la « twistronique » a été illustré dans les travaux pionniers des chercheurs, démontrant que lorsque deux couches de graphène monocouches sont empilées selon un angle de torsion « angle magique » de θ = 1,1 ± 0,1°, une bande très plate apparaît. .
Dans cette étude, dans le graphène bicouche torsadé (TBLG), la phase isolante de la première microruban (caractéristique structurelle) du super-réseau à « l’angle magique » était semi-remplie. L’équipe de recherche a déterminé qu’il s’agit d’un isolant Mott (un isolant aux propriétés supraconductrices) qui présente une supraconductivité à des niveaux de dopage légèrement supérieurs et inférieurs. Le diagramme de phases montre le supraconducteur à haute température entre la température de transition supraconductrice (Tc) et la température de Fermi (Tf). Cette recherche a suscité un grand intérêt et un débat théorique sur la structure de la bande de graphène, la topologie et les systèmes semi-conducteurs supplémentaires « Magic Angle ». Par rapport au rapport théorique initial, les recherches expérimentales sont rares et ne font que commencer. Dans cette étude, l’équipe a effectué des mesures de transmission sur le graphène bicouche torsadé « à angle magique », montrant les états isolants et supraconducteurs pertinents.
Un angle de distorsion inattendu de 0,93 ± 0,01, soit 15 % plus petit que « l’angle magique » établi, est également le plus petit signalé à ce jour et présente des propriétés supraconductrices. Ces résultats indiquent que le nouvel état de corrélation peut apparaître dans le graphène bicouche torsadé « Magic Angle », inférieur au « angle magique » primaire, au-delà de la première microruban de graphène. Pour construire ces dispositifs de graphène bicouche torsadés en forme de « corne magique », l’équipe a utilisé une approche « déchirer et empiler ». La structure entre les couches hexagonales de nitrure de bore (BN) est encapsulée ; structuré dans une géométrie de tige Hall avec plusieurs fils couplés à des contacts de bord Cr/Au (chrome/or). L’ensemble du dispositif de graphène bicouche torsadé « Magic Angle » a été fabriqué au-dessus de la couche de graphène utilisée comme porte arrière.
Les scientifiques utilisent des techniques de verrouillage standard en courant continu (CC) et en courant alternatif (AC) pour mesurer les dispositifs dans les cryostats HE4 et HE3 pompés. L'équipe a enregistré la relation entre la résistance longitudinale (Rxx) de l'appareil et la plage étendue de tension de grille (VG) et a calculé le champ magnétique B à une température de 1,7K. Il a été observé qu’une petite asymétrie électron-trou était une propriété inhérente au dispositif de graphène bicouche torsadé « Magic Angle ». Comme observé dans les rapports précédents, l’équipe a enregistré ces résultats et détaillé les rapports supraconducteurs jusqu’à présent. La caractéristique « Angle Magique » tord l'angle de torsion minimum du dispositif de graphène bicouche. En examinant de plus près le fan chart de Landau, les chercheurs ont découvert certaines caractéristiques notables.
Par exemple, le pic à moitié rempli et la double dégénérescence du niveau de Landau sont cohérents avec les états d'isolation de type Moment observés précédemment. L’équipe a montré une rupture de symétrie de la vallée de spin approximative SU(4) et la formation d’une nouvelle surface de Fermi quasi-particulaire. Cependant, les détails nécessitent une inspection plus détaillée. L’apparition d’une supraconductivité a également été observée, ce qui a augmenté la Rxx (résistance longitudinale), à l’instar des études précédentes. L’équipe a ensuite examiné la température critique (Tc) de la phase supraconductrice. Puisqu’aucune donnée n’a été obtenue sur le dopage optimal des supraconducteurs dans cet échantillon, les scientifiques ont supposé une température critique pouvant atteindre 0,5K. Cependant, ces dispositifs deviennent inefficaces tant qu’ils ne sont pas capables d’obtenir des données claires de l’état supraconducteur. Pour étudier plus en détail l’état supraconducteur, les chercheurs ont mesuré les caractéristiques tension-courant (VI) aux quatre bornes du dispositif à différentes densités de porteurs.
La résistance obtenue montre que le super courant est observé sur une plage de densité plus large et montre la suppression du super courant lorsqu'un champ magnétique parallèle est appliqué. Pour obtenir un aperçu du comportement observé dans l'étude, les chercheurs ont calculé la structure de bande de Moir du dispositif de graphène bicouche torsadé « Magic Angle » à l'aide du modèle Bistritzer-MacDonald et ont amélioré les paramètres. Par rapport au calcul précédent de l’angle « Magic Angle », la bande de moiré à basse énergie calculée n’est pas isolée de la bande à haute énergie. Bien que l'angle de torsion du dispositif soit plus petit que l'angle « angle magique » calculé ailleurs, le dispositif présente un phénomène fortement lié aux études précédentes (isolation de Mort et supraconductivité), que les physiciens ont trouvé inattendu et réalisable.
Après avoir évalué plus en détail le comportement à de grandes densités (le nombre d'états disponibles sur chaque énergie), les caractéristiques observées par les scientifiques sont attribuées aux nouveaux états d'isolation associés. À l’avenir, une étude plus détaillée de la densité d’états (DOS) sera menée pour comprendre les états étranges d’isolation et déterminer s’ils peuvent être classés comme liquides à spin quantique. De cette manière, les scientifiques ont observé une supraconductivité proche de l’état isolant de type Mox dans un dispositif de graphène bicouche torsadé avec un petit angle de torsion (0,93°). Cette étude montre que même à des angles aussi petits et à des densités élevées, l'effet de la corrélation électronique sur les propriétés du moiré est le même. Dans le futur, les vallées de spin de la phase isolante seront étudiées, et une nouvelle phase supraconductrice sera étudiée à une température plus basse. La recherche expérimentale sera combinée à des efforts théoriques pour comprendre l'origine de ce comportement.
Heure de publication : 08 octobre 2019