Het gedrag van Mohr-strepen en platte banden in de wetenschap van de wetenschap en de kwantumfysica, genaamd “Magic Angle” gedraaid dubbellaags grafeen (TBLG), heeft grote belangstelling getrokken van wetenschappers, hoewel over veel eigenschappen verhitte discussies bestaan. In een nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift Science Progress observeerden Emilio Colledo en wetenschappers van het Department of Physics and Materials Science 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”-hoek (1,1°) berekend in het vorige onderzoek. Deze studie toont aan dat het bereik van de “magische hoek” 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 Van der Waals-lagen om moiré en platte banden in grafeen te produceren. Dit concept is een nieuwe en unieke methode geworden voor het aanzienlijk veranderen en aanpassen van apparaateigenschappen op basis van tweedimensionale materialen om stroomstroming te bereiken. Het opmerkelijke effect van ‘Twistronics’ werd geïllustreerd in het baanbrekende werk van de onderzoekers, waarbij werd aangetoond dat wanneer twee enkellaagse grafeenlagen worden gestapeld onder een ‘magische hoek’-draaihoek van θ=1,1±0,1°, er een zeer vlakke band verschijnt. .
In deze studie was in het gedraaide dubbellaagse grafeen (TBLG) de isolatiefase van de eerste microstrip (structureel kenmerk) van het superrooster bij 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 supergeleider bij hoge temperatuur tussen de supergeleidende overgangstemperatuur (Tc) en de Fermi-temperatuur (Tf). Dit onderzoek leidde tot grote belangstelling en theoretisch debat over de grafeenbandstructuur, topologie en aanvullende “Magic Angle” halfgeleidersystemen. 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 “magische hoek” gedraaide dubbellaagse grafeen, dat de relevante isolerende en supergeleidende toestanden liet zien.
Een onverwacht vervormde hoek van 0,93 ± 0,01, die 15% kleiner is dan de gevestigde “Magic Angle”, is ook de kleinste die tot nu toe is gerapporteerd en vertoont supergeleidende eigenschappen. Deze resultaten geven aan dat de nieuwe correlatietoestand kan verschijnen in het “Magic Angle” gedraaide dubbellaagse grafeen, lager dan de primaire “magische hoek”, voorbij de eerste microstrip van grafeen. Om deze ‘magische hoorn’-apparaten met gedraaid dubbellaags grafeen te bouwen, gebruikte het team een ‘tear and stack’-aanpak. De structuur tussen de hexagonale boornitride (BN) lagen is ingekapseld; gevormd in een Hall-staafgeometrie met meerdere draden gekoppeld aan Cr/Au (chroom/goud) randcontacten. Het volledige “Magic Angle” gedraaide dubbellaagse grafeenapparaat werd vervaardigd bovenop de grafeenlaag die als achterpoort 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 poortspanningsbereik (VG) en berekende het magnetische veld B bij een temperatuur van 1,7 K. Er werd waargenomen dat kleine asymmetrie tussen elektronen en gaten een inherente eigenschap is van het "Magic Angle" gedraaide dubbellaagse grafeenapparaat. Zoals in eerdere rapporten is opgemerkt, heeft het team deze resultaten vastgelegd en de rapporten beschreven die tot nu toe supergeleidend zijn geweest. De karakteristieke “Magic Angle” verdraait de minimale torsiehoek van het dubbellaagse grafeenapparaat. Bij nader onderzoek van de Landau-waaiergrafiek ontdekten de onderzoekers enkele opvallende kenmerken.
De piek bij halve vulling en de tweevoudige degeneratie van het Landau-niveau zijn bijvoorbeeld consistent met de eerder waargenomen Moment-achtige isolatietoestanden. Het team toonde een breuk in de symmetrie van de geschatte spinvallei SU(4) en de vorming van een nieuw quasi-deeltjes Fermi-oppervlak. De details vereisen echter een meer gedetailleerde inspectie. Er werd ook het optreden van supergeleiding waargenomen, waardoor de Rxx (longitudinale weerstand) toenam, vergelijkbaar met eerdere onderzoeken. Het team onderzocht vervolgens de kritische temperatuur (Tc) van de supergeleidende fase. Omdat er in dit monster geen gegevens waren verkregen over de optimale dotering van supergeleiders, 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 vier-terminale spanning-stroom (VI)-karakteristieken van het apparaat bij verschillende dragerdichtheden.
De verkregen weerstand laat zien 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 het onderzoek werd waargenomen, berekenden de onderzoekers de Moir-bandstructuur van het “Magic Angle” gedraaide dubbellaagse grafeenapparaat met behulp van het Bistritzer-MacDonald-model en verbeterden ze de parameters. Vergeleken met de vorige berekening van de “Magic Angle”-hoek, is de berekende Moire-band met lage energie niet geïsoleerd van de band met hoge energie. Hoewel de draaihoek van het apparaat kleiner is dan de elders berekende 'magische hoek'-hoek, vertoont het apparaat een fenomeen dat sterk verband houdt met eerdere onderzoeken (Mort-isolatie en supergeleiding), die natuurkundigen onverwacht en haalbaar vonden.
Na verdere evaluatie van het gedrag bij grote dichtheden (het aantal beschikbare toestanden voor elke energie), worden de door de wetenschappers waargenomen kenmerken toegeschreven aan de nieuw opkomende geassocieerde isolatietoestanden. In de toekomst zal een meer gedetailleerd onderzoek naar de toestandsdichtheid (DOS) worden uitgevoerd om de vreemde staat van isolatie te begrijpen en om te bepalen of ze kunnen worden geclassificeerd als kwantumspinvloeistoffen. Op deze manier observeerden wetenschappers supergeleiding nabij de Mox-achtige isolerende toestand in een gedraaid dubbellaags grafeenapparaat met een kleine draaihoek (0,93 °). Deze studie laat zien 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 lagere temperatuur worden bestudeerd. Experimenteel onderzoek zal worden gecombineerd met theoretische pogingen om de oorsprong van dit gedrag te begrijpen.
Posttijd: okt-08-2019