Oppførselen til Mohr-striper og flate belter innen naturvitenskap og kvantefysikk, kalt «Magic Angle»-vridd dobbeltlagsgrafen (TBLG), har vakt stor interesse fra forskere, selv om mange egenskaper står overfor opphetet debatt. I en ny studie publisert i tidsskriftet Science Progress observerte Emilio Colledo og forskere ved Institutt for fysikk og materialvitenskap i USA og Japan superledning og analogi i vridd dobbeltlagsgrafen. Mott-isolatortilstanden har en vridningsvinkel på omtrent 0,93 grader. Denne vinkelen er 15 % mindre enn «magisk vinkel»-vinkel (1,1°) beregnet i den forrige studien. Denne studien viser at «magisk vinkel»-området for vridd dobbeltlagsgrafen er større enn tidligere forventet.
Denne studien gir en mengde ny informasjon for å tyde de sterke kvantefenomenene i vridd dobbeltlagsgrafen for anvendelser innen kvantefysikk. Fysikere definerer «Twistronics» som den relative vridningsvinkelen mellom tilstøtende van der Waals-lag for å produsere moiré- og flate bånd i grafen. Dette konseptet har blitt en ny og unik metode for å endre og tilpasse enhetsegenskaper basert på todimensjonale materialer for å oppnå strømflyt. Den bemerkelsesverdige effekten av «Twistronics» ble eksemplifisert i forskernes banebrytende arbeid, som demonstrerte at når to enkeltlags grafenlag stables med en «magisk vinkel» på θ=1,1 ± 0,1°, vises et veldig flatt bånd.
I denne studien, i det tvinnede dobbeltlagsgrafenet (TBLG), var den isolerende fasen til den første mikrostripen (strukturelle trekk) av supergitteret ved den "magiske vinkelen" halvfylt. Forskerteamet bestemte at dette er en Mott-isolator (en isolator med superledende egenskaper) som viser superledningsevne ved litt høyere og lavere dopingnivåer. Fasediagrammet viser høytemperatur-superlederen mellom den superledende overgangstemperaturen (Tc) og Fermi-temperaturen (Tf). Denne forskningen førte til stor interesse og teoretisk debatt om grafenbåndstruktur, topologi og ytterligere "Magic Angle"-halvledersystemer. Sammenlignet med den opprinnelige teoretiske rapporten er eksperimentell forskning sjelden og har nettopp begynt. I denne studien utførte teamet transmisjonsmålinger på det "magiske vinkel"-tvinnede dobbeltlagsgrafenet som viste de relevante isolerende og superledende tilstandene.
En uventet forvrengt vinkel på 0,93 ± 0,01, som er 15 % mindre enn den etablerte «Magic Angle», er også den minste som er rapportert til dags dato og viser superledende egenskaper. Disse resultatene indikerer at den nye korrelasjonstilstanden kan oppstå i den «Magic Angle»-vridde dobbeltlagsgrafenen, lavere enn den primære «magiske vinkelen», utover den første mikrostripen av grafen. For å bygge disse «magiske horn»-vridde dobbeltlagsgrafenenhetene, brukte teamet en «riv og stabl»-tilnærming. Strukturen mellom de sekskantede bornitrid (BN)-lagene er innkapslet; mønstret til en Hall-stavgeometri med flere ledninger koblet til Cr/Au (krom/gull)-kantkontakter. Hele den «Magic Angle»-vridde dobbeltlagsgrafenenheten ble produsert oppå grafenlaget som ble brukt som bakport.
Forskere bruker standard likestrøms- (DC) og vekselstrøms- (AC) låseteknikker for å måle enheter i pumpede HE4- og HE3-kryostater. Teamet registrerte forholdet mellom enhetens longitudinelle motstand (Rxx) og det utvidede gatespenningsområdet (VG) og beregnet magnetfeltet B ved en temperatur på 1,7 K. Liten elektronhull-asymmetri ble observert å være en iboende egenskap ved den «Magic Angle»-vridde dobbeltlagsgrafenenheten. Som observert i tidligere rapporter, registrerte teamet disse resultatene og detaljerte rapportene som så langt har vært superledende. Den karakteristiske «Magic Angle» vrir den minimale torsjonsvinkelen til dobbeltlagsgrafenenheten. Ved en nærmere undersøkelse av Landau-viftediagrammet, fant forskerne noen bemerkelsesverdige trekk.
For eksempel er toppen ved halvfylling og den todelte degenerasjonen av Landau-nivået konsistente med de tidligere observerte Moment-lignende isolasjonstilstandene. Teamet viste et brudd i symmetrien til den omtrentlige spinndalen SU(4) og dannelsen av en ny kvasipartikkel-Fermi-overflate. Detaljene krever imidlertid en mer detaljert inspeksjon. Forekomsten av superledning ble også observert, noe som økte Rxx (longitudinell motstand), i likhet med tidligere studier. Teamet undersøkte deretter den kritiske temperaturen (Tc) til den superledende fasen. Siden det ikke ble innhentet data for optimal doping av superledere i denne prøven, antok forskerne en kritisk temperatur på opptil 0,5 K. Imidlertid blir disse enhetene ineffektive inntil de er i stand til å innhente klare data fra den superledende tilstanden. For å undersøke den superledende tilstanden ytterligere, målte forskerne de fire-terminale spennings-strøm (VI) egenskapene til enheten ved forskjellige bærertettheter.
Den oppnådde motstanden viser at superstrøm observeres over et større tetthetsområde og viser undertrykkelse av superstrøm når et parallelt magnetfelt påføres. For å få innsikt i oppførselen som observeres i studien, beregnet forskerne Moir-båndstrukturen til den «Magic Angle»-vridde dobbeltlagsgrafenenheten ved hjelp av Bistritzer-MacDonald-modellen og forbedrede parametere. Sammenlignet med den tidligere beregningen av «Magic Angle»-vinkelen, er ikke det beregnede lavenergi-Moire-båndet isolert fra høyenergibåndet. Selv om enhetens vridningsvinkel er mindre enn «magic angle»-vinkelen beregnet andre steder, har enheten et fenomen som er sterkt relatert til tidligere studier (Mort-isolasjon og superledning), som fysikere fant å være uventet og gjennomførbart.
Etter ytterligere evaluering av oppførselen ved store tettheter (antall tilstander tilgjengelig på hver energi), tilskrives egenskapene observert av forskerne de nylig fremvoksende assosierte isolasjonstilstandene. I fremtiden vil en mer detaljert studie av tilstandstetthet (DOS) bli utført for å forstå den odde isolasjonstilstanden og for å avgjøre om de kan klassifiseres som kvantespinnvæsker. På denne måten observerte forskere superledningsevne nær den Mox-lignende isolerende tilstanden i en vridd dobbeltlagsgrafenenhet med en liten vridningsvinkel (0,93°). Denne studien viser at selv ved slike små vinkler og høye tettheter er effekten av elektronkorrelasjon på egenskapene til moiré den samme. I fremtiden vil spinndalene i den isolerende fasen bli studert, og en ny superledende fase vil bli studert ved en lavere temperatur. Eksperimentell forskning vil bli kombinert med teoretiske forsøk på å forstå opprinnelsen til denne oppførselen.
Publisert: 08. oktober 2019