Le comportement des bandes de Mohr et des bandes plates dans le graphène bicouche torsadé à « angle magique » (TBLG), un matériau à la croisée de la physique quantique et de la physique des matériaux, a suscité un vif intérêt chez les scientifiques, malgré de nombreux débats sur ses propriétés. Dans une nouvelle étude publiée dans la revue Science Progress, Emilio Colledo et des chercheurs des départements 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 d'isolant de Mott présente un angle de torsion d'environ 0,93 degré, soit 15 % inférieur à l'angle « magique » (1,1°) calculé dans une étude précédente. Cette étude démontre que la plage de valeurs de l'« angle magique » du graphène bicouche torsadé est plus étendue qu'on ne le pensait.
Cette étude apporte une multitude d'informations nouvelles pour décrypter les phénomènes quantiques complexes du graphène bicouche torsadé, ouvrant la voie à des applications en physique quantique. Les physiciens définissent la « twistronique » comme l'angle de torsion relatif entre des couches de van der Waals adjacentes permettant de produire des effets de moiré et des bandes plates dans le graphène. Ce concept constitue une méthode inédite pour modifier et personnaliser significativement les propriétés des dispositifs à base de matériaux bidimensionnels afin de contrôler la circulation du courant. L'effet remarquable de la « twistronique » a été mis en évidence dans les travaux pionniers des chercheurs, démontrant que lorsque deux couches de graphène monocouches sont empilées selon un angle de torsion « magique » de θ = 1,1 ± 0,1°, une bande très plate apparaît.
Dans cette étude, au sein du graphène bicouche torsadé (TBLG), la phase isolante de la première microbande (caractéristique structurale) du superréseau à l'« angle magique » était semi-remplie. L'équipe de recherche a déterminé qu'il s'agit d'un isolant de Mott (un isolant présentant des propriétés supraconductrices) qui exhibe la supraconductivité à des niveaux de dopage légèrement supérieurs et inférieurs. Le diagramme de phase révèle la présence d'un supraconducteur à haute température entre la température de transition supraconductrice (Tc) et la température de Fermi (Tf). Ces travaux ont suscité un vif intérêt et alimenté un débat théorique important sur la structure de bandes du graphène, sa topologie et d'autres systèmes semi-conducteurs à « angle magique ». Comparée à l'étude théorique initiale, la recherche expérimentale reste rare et n'en est qu'à ses débuts. Dans le cadre de cette étude, l'équipe a réalisé des mesures de transmission sur le graphène bicouche torsadé à « angle magique », mettant en évidence les états isolants et supraconducteurs caractéristiques.
Un angle anormalement déformé de 0,93 ± 0,01, soit 15 % inférieur à l'« angle magique » établi, est également le plus petit jamais rapporté et présente des propriétés supraconductrices. Ces résultats indiquent que ce nouvel état de corrélation peut apparaître dans le graphène bicouche torsadé à « angle magique », à un angle inférieur à l'« angle magique » initial, au-delà de la première microbande de graphène. Pour fabriquer ces dispositifs en graphène bicouche torsadé de type « corne magique », l'équipe a utilisé une approche de « déchirure et empilement ». La structure entre les couches hexagonales de nitrure de bore (BN) est encapsulée et structurée en une géométrie de tige de Hall avec plusieurs fils couplés à des contacts de bord en Cr/Au (chrome/or). L'ensemble du dispositif en graphène bicouche torsadé à « angle magique » a été fabriqué sur la couche de graphène utilisée comme grille arrière.
Des scientifiques utilisent des techniques de verrouillage standard en courant continu (CC) et en courant alternatif (CA) pour mesurer des dispositifs dans des cryostats HE4 et HE3 pompés. L'équipe a enregistré la relation entre la résistance longitudinale (Rxx) du dispositif et la plage étendue de tension de grille (VG), et a calculé le champ magnétique B à une température de 1,7 K. Une faible asymétrie électron-trou a été observée comme une propriété inhérente au dispositif en graphène bicouche torsadé à « angle magique ». Conformément aux observations précédentes, l'équipe a consigné ces résultats et détaillé les observations relatives à la supraconductivité. L'« angle magique » caractéristique correspond à l'angle de torsion minimal du dispositif en graphène bicouche. Un examen plus approfondi du diagramme de Landau a permis aux chercheurs de dégager des caractéristiques notables.
Par exemple, le pic à mi-remplissage et la double dégénérescence du niveau de Landau sont cohérents avec les états d'isolation de type moment précédemment observés. L'équipe a mis en évidence une rupture de symétrie de la vallée de spin approximative SU(4) et la formation d'une nouvelle surface de Fermi quasi-particulaire. Cependant, des analyses plus approfondies sont nécessaires. L'apparition de la supraconductivité a également été observée, entraînant une augmentation de la résistance longitudinale (Rxx), similaire aux résultats d'études antérieures. L'équipe a ensuite examiné la température critique (Tc) de la phase supraconductrice. En l'absence de données concernant le dopage optimal des supraconducteurs dans cet échantillon, les scientifiques ont supposé une température critique pouvant atteindre 0,5 K. Toutefois, ces dispositifs restent inopérants tant que des données claires sur l'état supraconducteur n'auront pas été obtenues. Afin d'étudier plus en détail cet état, les chercheurs ont mesuré les caractéristiques tension-courant (VI) à quatre bornes du dispositif pour différentes densités de porteurs.
La résistance mesurée indique que le supercourant est observé sur une large gamme de densités et qu'il est supprimé lorsqu'un champ magnétique parallèle est appliqué. Afin de mieux comprendre le comportement observé, les chercheurs ont calculé la structure de bande de Moir du dispositif en graphène bicouche torsadé à « angle magique » à l'aide du modèle de Bistritzer-MacDonald et de paramètres améliorés. Contrairement au calcul précédent de l'angle « magique », la bande de Moir de basse énergie calculée n'est pas isolée de la bande de haute énergie. Bien que l'angle de torsion du dispositif soit inférieur à l'angle « magique » calculé par ailleurs, le dispositif présente un phénomène étroitement lié à des études antérieures (isolation de Mort et supraconductivité), que les physiciens ont jugé inattendu et plausible.
Après une évaluation plus approfondie du comportement à haute densité (nombre d'états disponibles pour chaque énergie), les caractéristiques observées par les scientifiques sont attribuées aux nouveaux états isolants associés. À l'avenir, une étude plus détaillée de la densité d'états (DOS) sera menée afin de comprendre cet état isolant particulier et de déterminer s'il peut être classé comme liquide de spin quantique. Ainsi, les scientifiques ont observé une supraconductivité proche de l'état isolant de type Mox dans un dispositif de graphène bicouche torsadé avec un faible angle de torsion (0,93°). Cette étude montre que même à de si petits angles et à de si hautes densités, l'effet de la corrélation électronique sur les propriétés du moiré reste le même. À l'avenir, les vallées de spin de la phase isolante seront étudiées, et une nouvelle phase supraconductrice sera étudiée à plus basse température. La recherche expérimentale sera combinée à des efforts théoriques pour comprendre l'origine de ce comportement.
Date de publication : 8 octobre 2019