「マジック アングル」ねじれ二層グラフェン (TBLG) と呼ばれる科学および量子物理学におけるモール ストライプとフラット ベルトの挙動は科学者から大きな関心を集めていますが、多くの特性が激しい議論に直面しています。サイエンス・プログレス誌に掲載された新しい研究で、エミリオ・コレド氏と米国と日本の物理・材料科学部門の科学者らは、ねじれ二層グラフェンの超伝導性とその類似性を観察した。モット絶縁体状態のねじれ角は約 0.93 度です。この角度は、以前の研究で計算された「魔法の角度」角度 (1.1°) より 15% 小さいです。この研究は、ねじれ二層グラフェンの「魔法の角度」範囲が以前の予想よりも大きいことを示しています。
この研究は、量子物理学への応用のために、ねじれ二層グラフェンにおける強力な量子現象を解読するための豊富な新しい情報を提供します。物理学者は、「ツイストロニクス」を、グラフェンにモアレとフラット バンドを生成するための隣接するファンデルワールス層間の相対的なねじれ角として定義します。この概念は、電流の流れを実現するために、二次元材料に基づいてデバイス特性を大幅に変更およびカスタマイズするための新しくてユニークな方法となっています。 「ツイストロニクス」の顕著な効果は、研究者らの先駆的な研究で実証され、2つの単層グラフェン層を「マジックアングル」ツイスト角θ=1.1±0.1°で積層すると、非常に平坦なバンドが現れることを実証した。 。
この研究では、ねじれ二層グラフェン (TBLG) では、「マジック アングル」での超格子の最初のマイクロストリップ (構造的特徴) の絶縁相が半充填されていました。研究チームは、これがわずかに高いドーピングレベルまたは低いドーピングレベルで超伝導性を示すモット絶縁体（超伝導特性を持つ絶縁体）であると判断しました。状態図は、超伝導転移温度 (Tc) とフェルミ温度 (Tf) の間の高温超伝導体を示します。この研究は、グラフェンのバンド構造、トポロジー、および追加の「マジック アングル」半導体システムに関する大きな関心と理論的議論につながりました。元の理論報告と比較すると、実験研究はまれであり、始まったばかりです。この研究では、チームは「マジックアングル」ねじれ二層グラフェンの透過率測定を実施し、関連する絶縁状態と超伝導状態を示しました。
予想外に歪んだ角度 0.93 ± 0.01 は、確立された「マジック アングル」より 15% 小さく、これまでに報告された最小のものでもあり、超伝導特性を示します。これらの結果は、グラフェンの最初のマイクロストリップを超えて、一次「マジック アングル」よりも低い「マジック アングル」ねじれ二層グラフェンに新しい相関状態が現れる可能性があることを示しています。これらの「マジック ホーン」ツイスト二層グラフェン デバイスを構築するために、チームは「引き裂きとスタック」アプローチを使用しました。六方晶系窒化ホウ素 (BN) 層間の構造はカプセル化されています。 Cr/Au (クロム/金) エッジコンタクトに結合された複数のワイヤを備えたホールロッド形状にパターン化されています。 「マジック アングル」ツイスト二層グラフェン デバイス全体は、バック ゲートとして使用されるグラフェン層の上に製造されました。
科学者は、標準的な直流 (DC) および交流 (AC) ロック技術を使用して、ポンプ駆動の HE4 および HE3 クライオスタット内のデバイスを測定します。研究チームは、デバイスの縦方向抵抗 (Rxx) と拡張ゲート電圧 (VG) 範囲の関係を記録し、温度 1.7K での磁場 B を計算しました。電子正孔の小さな非対称性は、「マジック アングル」ねじれ二層グラフェン デバイスの固有の特性であることが観察されました。以前のレポートで観察されたように、チームはこれらの結果を記録し、これまでの超電導に関するレポートを詳しく説明しました。特徴的な「マジック アングル」は、二層グラフェン デバイスの最小ねじれ角をねじります。ランダウ ファン チャートを詳しく調べることで、研究者らはいくつかの注目すべき特徴を発見しました。
たとえば、半分の充填におけるピークとランダウ準位の 2 倍の縮退は、以前に観察されたモーメントのような絶縁状態と一致しています。研究チームは、近似スピンバレー SU(4) の対称性の破れと、新しい準粒子フェルミ面の形成を示しました。ただし、詳細についてはさらに詳細な検査が必要です。以前の研究と同様に、超伝導の出現も観察され、Rxx (縦方向の抵抗) が増加しました。次に、研究チームは超電導相の臨界温度 (Tc) を調べました。このサンプルでは超電導体の最適なドーピングに関するデータが得られなかったため、科学者らは臨界温度を最大 0.5K と仮定しました。ただし、これらの装置は、超電導状態から明確なデータを取得できるようになるまでは効果がありません。超伝導状態をさらに調査するために、研究者らはさまざまなキャリア密度でデバイスの 4 端子電圧電流 (VI) 特性を測定しました。
得られた抵抗は、より広い密度範囲にわたって超電流が観察されることを示し、平行磁場が印加された場合に超電流が抑制されることを示します。研究で観察された挙動についての洞察を得るために、研究者らはビストリッツァー・マクドナルドモデルと改善されたパラメーターを使用して、「マジックアングル」ねじれ二層グラフェンデバイスのモアレバンド構造を計算しました。以前の「マジック アングル」角度の計算と比較すると、計算された低エネルギー モアレ バンドは高エネルギー バンドから分離されていません。このデバイスのねじれ角は他の場所で計算された「マジックアングル」角度よりも小さいですが、このデバイスには以前の研究（モルト絶縁と超伝導）に強く関連する現象があり、物理学者はこれが予想外で実現可能であると発見しました。
高密度（各エネルギーで利用可能な状態の数）での挙動をさらに評価した後、科学者によって観察された特性は、新たに出現した関連する絶縁状態に起因すると考えられます。将来的には、絶縁体の奇妙な状態を理解し、量子スピン液体として分類できるかどうかを判断するために、状態密度 (DOS) のより詳細な研究が行われる予定です。このようにして、科学者たちは、小さなねじれ角 (0.93°) のねじれた二層グラフェンデバイスで、Mox のような絶縁状態に近い超伝導を観察しました。この研究は、このような小さな角度と高密度であっても、モアレの特性に対する電子相関の影響は同じであることを示しています。将来的には、絶縁相のスピンバレーが研究され、より低温での新しい超伝導相が研究される予定です。この行動の起源を理解するために、実験研究と理論的研究が組み合わされます。
投稿時間: 2019 年 10 月 8 日