Het gedrag van Mohr-strepen en platte banden in de wetenschap en kwantumfysica, genaamd "Magic Angle" gedraaid dubbellaags grafeen (TBLG), heeft grote belangstelling gewekt bij wetenschappers, hoewel veel eigenschappen nog steeds onderwerp van verhit debat zijn. In een nieuwe studie, gepubliceerd in het tijdschrift Science Progress, observeerden Emilio Colledo en wetenschappers van de afdeling Natuurkunde en Materiaalkunde in de Verenigde Staten en Japan supergeleiding en analogie in gedraaid dubbellaags grafeen. De Mott-isolatortoestand heeft een draaihoek van ongeveer 0,93 graden. Deze hoek is 15% kleiner dan de "magische hoek" (1,1°) die in de vorige studie werd berekend. Deze studie toont aan dat het "magische hoek"-bereik van gedraaid dubbellaags grafeen groter is dan eerder werd verwacht.
Deze studie levert een schat aan nieuwe informatie op voor het ontcijferen van de sterke kwantumfenomenen in gedraaid dubbellaags grafeen voor toepassingen in de kwantumfysica. Natuurkundigen definiëren "Twistronics" als de relatieve draaihoek tussen aangrenzende vanderwaals-lagen om moiré en vlakke banden in grafeen te produceren. Dit concept is uitgegroeid tot een nieuwe en unieke methode voor het significant veranderen en aanpassen van apparaateigenschappen op basis van tweedimensionale materialen om stroom te genereren. Het opmerkelijke effect van "Twistronics" werd geïllustreerd in het baanbrekende werk van de onderzoekers, dat aantoonde dat wanneer twee enkellaagse grafeenlagen worden gestapeld onder een "magische hoek" van θ=1,1±0,1°, er een zeer vlakke band ontstaat.
In deze studie, in het gedraaide dubbellaagse grafeen (TBLG), was de isolerende fase van de eerste microstrip (structureel kenmerk) van het superrooster onder de "magische hoek" halfgevuld. Het onderzoeksteam stelde vast dat dit een Mott-isolator is (een isolator met supergeleidende eigenschappen) die supergeleiding vertoont bij iets hogere en lagere dopingniveaus. Het fasediagram toont de hogetemperatuursupergeleider tussen de supergeleidende overgangstemperatuur (Tc) en de fermitemperatuur (Tf). Dit onderzoek leidde tot grote interesse en theoretische discussie over de bandstructuur, topologie en aanvullende halfgeleidersystemen met "magische hoek" van grafeen. Vergeleken met het oorspronkelijke theoretische rapport is experimenteel onderzoek zeldzaam en nog maar net begonnen. In deze studie voerde het team transmissiemetingen uit op het gedraaide dubbellaagse grafeen onder de "magische hoek" om de relevante isolerende en supergeleidende toestanden te bepalen.
Een onverwacht vervormde hoek van 0,93 ± 0,01, wat 15% kleiner is dan de vastgestelde "Magic Angle", is tevens de kleinste tot nu toe gerapporteerde hoek en vertoont supergeleidende eigenschappen. Deze resultaten geven aan dat de nieuwe correlatietoestand kan optreden in het "Magic Angle" gedraaide dubbellaagse grafeen, lager dan de primaire "magische hoek", voorbij de eerste microstrip grafeen. Om deze "magische hoorn" gedraaide dubbellaagse grafeen-apparaten te bouwen, gebruikte het team een "tear and stack"-benadering. De structuur tussen de hexagonale boornitride (BN)-lagen is ingekapseld; gepatroneerd in een Hall-staafgeometrie met meerdere draden gekoppeld aan Cr/Au (chroom/goud) randcontacten. Het volledige "Magic Angle" gedraaide dubbellaagse grafeen-apparaat werd gefabriceerd bovenop de grafeenlaag die als backgate werd gebruikt.
Wetenschappers gebruiken standaard gelijkstroom (DC) en wisselstroom (AC) vergrendelingstechnieken om apparaten in gepompte HE4- en HE3-cryostaten te meten. Het team registreerde de relatie tussen de longitudinale weerstand (Rxx) van het apparaat en het uitgebreide gatespanningsbereik (VG) en berekende het magnetische veld B bij een temperatuur van 1,7 K. Een kleine elektron-gat-asymmetrie bleek een inherente eigenschap te zijn van het "Magic Angle" gedraaide dubbellaags grafeen-apparaat. Zoals opgemerkt in eerdere rapporten, registreerde het team deze resultaten en detailleerde de rapporten die tot nu toe supergeleidend waren. De karakteristieke "Magic Angle" verdraait de minimale torsiehoek van het dubbellaags grafeen-apparaat. Bij een nadere bestudering van de Landau-waaiergrafiek ontdekten de onderzoekers enkele opmerkelijke kenmerken.
De piek bij halve vulling en de tweevoudige ontaarding van het Landau-niveau zijn bijvoorbeeld consistent met de eerder waargenomen momentachtige isolatietoestanden. Het team toonde een breuk aan in de symmetrie van de benaderde spinvallei SU(4) en de vorming van een nieuw quasi-deeltjes Fermi-oppervlak. De details vereisen echter een meer gedetailleerde inspectie. De verschijning van supergeleiding werd ook waargenomen, wat Rxx (longitudinale weerstand) verhoogde, vergelijkbaar met eerdere studies. Het team onderzocht vervolgens de kritische temperatuur (Tc) van de supergeleidende fase. Omdat er geen gegevens werden verkregen over optimale doping van supergeleiders in dit monster, gingen de wetenschappers uit van een kritische temperatuur tot 0,5 K. Deze apparaten worden echter ineffectief totdat ze duidelijke gegevens uit de supergeleidende toestand kunnen verkrijgen. Om de supergeleidende toestand verder te onderzoeken, maten de onderzoekers de spanning-stroom (VI)-karakteristieken van het apparaat met vier aansluitingen bij verschillende ladingsdichtheid.
De verkregen weerstand toont aan dat superstroom wordt waargenomen over een groter dichtheidsbereik en toont de onderdrukking van superstroom wanneer een parallel magnetisch veld wordt aangelegd. Om inzicht te krijgen in het gedrag dat in de studie werd waargenomen, berekenden de onderzoekers de Moir-bandstructuur van het "Magic Angle" twisted bilayer grafeen-apparaat met behulp van het Bistritzer-MacDonald-model en verbeterde parameters. Vergeleken met de eerdere berekening van de "Magic Angle"-hoek, is de berekende Moiré-band met lage energie niet geïsoleerd van de band met hoge energie. Hoewel de twisthoek van het apparaat kleiner is dan de elders berekende "magic angle"-hoek, vertoont het apparaat een fenomeen dat sterk verband houdt met eerdere studies (Mort-isolatie en supergeleiding), wat natuurkundigen onverwacht en haalbaar vonden.
Na verdere evaluatie van het gedrag bij grote dichtheden (het aantal beschikbare toestanden per energie), worden de door de wetenschappers waargenomen kenmerken toegeschreven aan de nieuw ontstane bijbehorende isolatietoestanden. In de toekomst zal een meer gedetailleerde studie van de toestandsdichtheid (DOS) worden uitgevoerd om de oneven isolatietoestand te begrijpen en te bepalen of deze kunnen worden geclassificeerd als kwantumspinvloeistoffen. Op deze manier observeerden wetenschappers supergeleiding nabij de Mox-achtige isolatietoestand in een getwist dubbellaags grafeenapparaat met een kleine twisthoek (0,93°). Deze studie toont aan dat zelfs bij zulke kleine hoeken en hoge dichtheden het effect van elektronencorrelatie op de eigenschappen van moiré hetzelfde is. In de toekomst zullen de spindalen van de isolerende fase worden bestudeerd en zal een nieuwe supergeleidende fase bij een lagere temperatuur worden bestudeerd. Experimenteel onderzoek zal worden gecombineerd met theoretische inspanningen om de oorsprong van dit gedrag te begrijpen.
Geplaatst op: 8 oktober 2019