Il comportamento delle strisce di Mohr e delle cinture piatte nella scienza e nella fisica quantistica chiamato grafene a doppio strato ritorto “Magic Angle” (TBLG) ha attirato grande interesse da parte degli scienziati, sebbene molte proprietà siano oggetto di accesi dibattiti. In un nuovo studio pubblicato sulla rivista Science Progress, Emilio Colledo e scienziati del Dipartimento di Fisica e Scienza dei Materiali negli Stati Uniti e in Giappone hanno osservato superconduttività e analogia nel doppio strato di grafene ritorto. Lo stato dell'isolante Mott ha un angolo di torsione di circa 0,93 gradi. Questo angolo è inferiore del 15% rispetto all’angolo “angolo magico” (1,1°) calcolato nello studio precedente. Questo studio mostra che l’intervallo dell’“angolo magico” del grafene a doppio strato ritorto è più ampio di quanto precedentemente previsto.
Questo studio fornisce una ricchezza di nuove informazioni per decifrare i forti fenomeni quantistici nel grafene a doppio strato ritorto per applicazioni nella fisica quantistica. I fisici definiscono “Twistronics” come l’angolo di torsione relativo tra strati di van der Waals adiacenti per produrre moiré e bande piatte nel grafene. Questo concetto è diventato un metodo nuovo e unico per modificare e personalizzare in modo significativo le proprietà del dispositivo basato su materiali bidimensionali per ottenere il flusso di corrente. Il notevole effetto di “Twistronics” è stato esemplificato nel lavoro pionieristico dei ricercatori, dimostrando che quando due strati di grafene monostrato sono impilati con un angolo di torsione “angolo magico” di θ = 1,1 ± 0,1°, appare una banda molto piatta. .
In questo studio, nel bistrato ritorto di grafene (TBLG), la fase isolante della prima microstriscia (caratteristica strutturale) del superreticolo all’“angolo magico” era semiriempita. Il gruppo di ricerca ha determinato che si tratta di un isolante Mott (un isolante con proprietà superconduttrici) che mostra superconduttività a livelli di drogaggio leggermente superiori e inferiori. Il diagramma di fase mostra il superconduttore ad alta temperatura tra la temperatura di transizione superconduttiva (Tc) e la temperatura di Fermi (Tf). Questa ricerca ha suscitato grande interesse e dibattito teorico sulla struttura delle bande del grafene, sulla topologia e su ulteriori sistemi di semiconduttori “Magic Angle”. Rispetto al rapporto teorico originale, la ricerca sperimentale è rara ed è appena iniziata. In questo studio, il team ha condotto misurazioni di trasmissione sul doppio strato ritorto del grafene “angolo magico”, mostrando i relativi stati isolanti e superconduttori.
Un angolo inaspettatamente distorto di 0,93 ± 0,01, che è il 15% più piccolo dell’“Angolo Magico” stabilito, è anche il più piccolo finora riportato e mostra proprietà superconduttrici. Questi risultati indicano che il nuovo stato di correlazione può apparire nel doppio strato di grafene ritorto “Angolo Magico”, inferiore all’”angolo magico” primario, oltre la prima microstriscia di grafene. Per costruire questi dispositivi a doppio strato intrecciato in grafene “corno magico”, il team ha utilizzato un approccio “strappa e impila”. La struttura tra gli strati di nitruro di boro esagonale (BN) è incapsulata; modellato in una geometria ad asta Hall con più fili accoppiati a contatti sul bordo Cr/Au (cromo/oro). L'intero dispositivo in grafene a doppio strato ritorto "Magic Angle" è stato fabbricato sopra lo strato di grafene utilizzato come cancello posteriore.
Gli scienziati utilizzano tecniche di bloccaggio standard a corrente continua (CC) e corrente alternata (CA) per misurare i dispositivi nei criostati HE4 e HE3 pompati. Il team ha registrato la relazione tra la resistenza longitudinale del dispositivo (Rxx) e l'intervallo esteso della tensione di gate (VG) e ha calcolato il campo magnetico B a una temperatura di 1,7K. È stato osservato che la piccola asimmetria elettrone-lacuna è una proprietà intrinseca del dispositivo di grafene a doppio strato ritorto “Magic Angle”. Come osservato nei rapporti precedenti, il team ha registrato questi risultati e ha dettagliato i rapporti che finora sono stati superconduttori. Il caratteristico "Magic Angle" distorce l'angolo di torsione minimo del dispositivo a doppio strato di grafene. Con un esame più attento del diagramma a ventaglio di Landau, i ricercatori hanno scoperto alcune caratteristiche degne di nota.
Ad esempio, il picco a metà riempimento e la doppia degenerazione del livello di Landau sono coerenti con gli stati di isolamento simili a quelli osservati in precedenza. Il team ha mostrato una rottura nella simmetria della valle di spin approssimativa SU(4) e la formazione di una nuova superficie di Fermi quasi-particellare. Tuttavia, i dettagli richiedono un esame più approfondito. È stata osservata anche la comparsa di superconduttività, che ha aumentato Rxx (resistenza longitudinale), simile a studi precedenti. Il team ha poi esaminato la temperatura critica (Tc) della fase superconduttiva. Poiché non sono stati ottenuti dati per il drogaggio ottimale dei superconduttori in questo campione, gli scienziati hanno ipotizzato una temperatura critica fino a 0,5K. Tuttavia, questi dispositivi diventano inefficaci finché non sono in grado di ottenere dati chiari dallo stato superconduttore. Per studiare ulteriormente lo stato superconduttore, i ricercatori hanno misurato le caratteristiche di tensione-corrente (VI) a quattro terminali del dispositivo a diverse densità di portatori.
La resistenza ottenuta mostra che la supercorrente viene osservata su un intervallo di densità più ampio e mostra la soppressione della supercorrente quando viene applicato un campo magnetico parallelo. Per ottenere informazioni dettagliate sul comportamento osservato nello studio, i ricercatori hanno calcolato la struttura della banda Moir del dispositivo di grafene a doppio strato ritorto “Magic Angle” utilizzando il modello Bistritzer-MacDonald e parametri migliorati. Rispetto al calcolo precedente dell’angolo “Magic Angle”, la banda Moire a bassa energia calcolata non è isolata dalla banda ad alta energia. Sebbene l'angolo di torsione del dispositivo sia inferiore all'angolo dell'“angolo magico” calcolato altrove, il dispositivo presenta un fenomeno fortemente correlato a studi precedenti (isolamento Mort e superconduttività), che i fisici hanno ritenuto inaspettato e fattibile.
Dopo aver valutato ulteriormente il comportamento a grandi densità (il numero di stati disponibili su ciascuna energia), le caratteristiche osservate dagli scienziati vengono attribuite ai nuovi stati di isolamento associati emergenti. In futuro, verrà condotto uno studio più dettagliato sulla densità degli stati (DOS) per comprendere gli stati dispari di isolamento e per determinare se possono essere classificati come liquidi a spin quantistico. In questo modo, gli scienziati hanno osservato la superconduttività vicino allo stato isolante simile a Mox in un dispositivo di grafene a doppio strato ritorto con un piccolo angolo di torsione (0,93°). Questo studio mostra che anche ad angoli così piccoli e densità elevate, l'effetto della correlazione elettronica sulle proprietà del moiré è lo stesso. In futuro si studieranno le valli di spin della fase isolante e si studierà una nuova fase superconduttrice a temperatura più bassa. La ricerca sperimentale sarà combinata con sforzi teorici per comprendere l'origine di questo comportamento.
Orario di pubblicazione: 08-ott-2019