מוליכות-על של גרפן אטרקטיבית יותר! התגלית האחרונה: טווח "זווית הקסם" בגרפן גדול מהצפוי

התנהגותם של פסי מוהר וחגורות שטוחות במדע המדע והפיזיקה הקוונטית הנקראת גרפן דו-שכבתי מעוות "מזוית קסומה" (TBLG) משכה עניין רב מצד מדענים, למרות שמאפיינים רבים עומדים בפני ויכוח סוער. במחקר חדש שפורסם בכתב העת Science Progress, אמיליו קולדו ומדענים מהמחלקה לפיזיקה ומדעי החומרים בארצות הברית וביפן צפו במוליכות-על ובאנלוגיה בגרפן דו-שכבתי מעוות. למצב מבודד Mott יש זווית פיתול של כ-0.93 מעלות. זווית זו קטנה ב-15% מזווית "זווית הקסם" (1.1°) שחושבה במחקר הקודם. מחקר זה מראה שטווח "זווית הקסם" של גרפן דו-שכבתי מעוות גדול מהצפוי בעבר.

מחקר זה מספק שפע של מידע חדש לפענוח התופעות הקוונטיות החזקות בגרפן דו-שכבתי מעוות עבור יישומים בפיזיקה קוונטית. פיזיקאים מגדירים את "טוויסטרוניקה" כזווית הפיתול היחסית בין שכבות ואן דר ואלס סמוכות לייצור פסי מוריה ושטוחים בגרפן. קונספט זה הפך לשיטה חדשה וייחודית לשינוי משמעותי והתאמה אישית של מאפייני המכשיר המבוססים על חומרים דו מימדיים להשגת זרימת זרם. ההשפעה המדהימה של "Twistronics" הודגמה בעבודתם החלוצית של החוקרים, והדגימה שכאשר שתי שכבות גרפן חד-שכבות מוערמות בזווית פיתול של "זווית קסומה" של θ=1.1±0.1°, מופיעה פס שטוח מאוד. .

במחקר זה, בגרפן הדו-שכבתי המעוות (TBLG), שלב הבידוד של המיקרו-סטריפ הראשון (תכונה מבנית) של סריג העל ב"זווית הקסם" היה מלא למחצה. צוות המחקר קבע כי מדובר במבודד Mott (מבודד בעל תכונות מוליכות-על) המציג מוליכות-על ברמות סימום מעט גבוהות ונמוכות יותר. דיאגרמת הפאזות מציגה את מוליך העל בטמפרטורה גבוהה בין טמפרטורת המעבר המוליכה (Tc) לטמפרטורת הפרמי (Tf). מחקר זה הוביל לעניין רב ולוויכוח תיאורטי על מבנה להקת גרפן, טופולוגיה ומערכות מוליכים למחצה "זווית קסומה" נוספות. בהשוואה לדוח התיאורטי המקורי, מחקר ניסיוני הוא נדיר ורק החל. במחקר זה, הצוות ערך מדידות שידור על גרפן דו-שכבתי מעוות של "זווית הקסם" המראה את מצבי הבידוד והמוליכים הרלוונטיים.

זווית מעוותת באופן בלתי צפוי של 0.93 ± 0.01, שהיא קטנה ב-15% מה"זווית הקסומה" שנקבעה, היא גם הקטנה ביותר שדווחה עד כה ומציגה תכונות מוליכות-על. תוצאות אלו מצביעות על כך שמצב המתאם החדש יכול להופיע בגרפן הדו-שכבתי המעוות "זווית הקסם", נמוך מ"זווית הקסם" הראשונית, מעבר למיקרו-סטריפ הראשון של גרפן. כדי לבנות את מכשירי הגרפן הדו-שכבתיים המעוותים הללו של "קרן קסם", הצוות השתמש בגישה של "קרעים וערמים". המבנה בין שכבות הבורון ניטריד המשושה (BN) מוקף; בדוגמת גיאומטריית מוט הול עם מספר חוטים המחוברים למגעי קצה Cr/Au (כרום/זהב). כל מכשיר הגרפן הדו-שכבתי המעוות של "זווית הקסם" יוצר על גבי שכבת הגרפן המשמשת כשער האחורי.

מדענים משתמשים בטכניקות נעילה סטנדרטיות של זרם ישר (DC) וזרם חילופין (AC) כדי למדוד התקנים בקריוסטטים HE4 ו-HE3 שאובים. הצוות רשם את הקשר בין התנגדות האורך של המכשיר (Rxx) לטווח מתח השער המורחב (VG) וחישב את השדה המגנטי B בטמפרטורה של 1.7K. נצפתה כי אסימטריה של חור אלקטרוני קטן היא תכונה אינהרנטית של מכשיר הגרפן הדו-שכבתי המעוות "זווית הקסם". כפי שנצפה בדוחות קודמים, הצוות רשם את התוצאות הללו ופירט את הדוחות שהיו מוליכי-על עד כה. "זווית הקסם" האופיינית מסובבת את זווית הפיתול המינימלית של מכשיר הגרפן הדו-שכבתי. עם בחינה מעמיקה יותר של טבלת המעריצים של לנדאו, החוקרים השיגו כמה תכונות בולטות.

לדוגמה, השיא בחצי מילוי והניוון הכפול של רמת לנדאו תואמים את מצבי הבידוד דמויי הרגע שנצפו בעבר. הצוות הראה שבר בסימטריה של עמק הספין המשוער SU(4) והיווצרות משטח פרמי מעין-חלקיקים חדש. עם זאת, הפרטים דורשים בדיקה מפורטת יותר. כמו כן נצפתה הופעת מוליכות-על, אשר העלתה את Rxx (התנגדות אורכית), בדומה למחקרים קודמים. לאחר מכן, הצוות בחן את הטמפרטורה הקריטית (Tc) של שלב המוליך העל. מכיוון שלא התקבלו נתונים לסימום אופטימלי של מוליכים-על במדגם זה, המדענים הניחו טמפרטורה קריטית של עד 0.5K. עם זאת, התקנים אלה הופכים לבלתי יעילים עד שהם מסוגלים להשיג נתונים ברורים מהמצב המוליך. כדי להמשיך ולחקור את מצב המוליך העל, החוקרים מדדו את מאפייני זרם-מתח ארבעת הקצה (VI) של המכשיר בצפיפויות נושאות שונות.

ההתנגדות המתקבלת מראה שסופר זרם נצפה בטווח צפיפות גדול יותר ומראה את דיכוי זרם העל כאשר מופעל שדה מגנטי מקביל. כדי לקבל תובנה לגבי ההתנהגות שנצפתה במחקר, החוקרים חישבו את מבנה פס ה-Moir של מכשיר הגרפן הדו-שכבתי המעוות "Magic Angle" באמצעות מודל Bistritzer-MacDonald ופרמטרים משופרים. בהשוואה לחישוב הקודם של זווית "זווית הקסם", רצועת ה-Moire המחושבת באנרגיה נמוכה אינה מבודדת מרצועת האנרגיה הגבוהה. למרות שזווית הפיתול של המכשיר קטנה מזווית "זווית הקסם" המחושבת במקומות אחרים, למכשיר יש תופעה שקשורה מאוד למחקרים קודמים (בידוד מטה ומוליכות-על), שפיזיקאים מצאו שהיא בלתי צפויה ואפשרית.

לאחר הערכה נוספת של ההתנהגות בצפיפות גדולה (מספר המצבים הזמינים בכל אנרגיה), המאפיינים שנצפו על ידי המדענים מיוחסים למצבי הבידוד החדשים שצצו. בעתיד, מחקר מפורט יותר של צפיפות המצבים (DOS) ייערך כדי להבין את מצב הבידוד המוזר ולקבוע אם ניתן לסווג אותם כנוזלים ספינים קוונטיים. בדרך זו, מדענים צפו במוליכות-על בסמוך למצב בידוד דמוי מוקס במכשיר גרפן דו-שכבתי מעוות עם זווית פיתול קטנה (0.93°). מחקר זה מראה שאפילו בזוויות קטנות ובצפיפות כה גבוהה, ההשפעה של מתאם אלקטרונים על תכונות המוארה זהה. בעתיד ייבדקו עמקי הספין של שלב הבידוד, ושלב מוליך-על חדש ייבדק בטמפרטורה נמוכה יותר. מחקר ניסיוני ישולב עם מאמצים תיאורטיים כדי להבין את מקור ההתנהגות הזו.