Zachowanie pasków i pasów płaskich Mohra w nauce i fizyce kwantowej, zwane skręconym dwuwarstwowym grafenem „Magic Angle” (TBLG), cieszy się dużym zainteresowaniem naukowców, chociaż wiele właściwości jest przedmiotem gorącej debaty. W nowym badaniu opublikowanym w czasopiśmie Science Progress Emilio Colledo i naukowcy z Wydziału Fizyki i Nauki o Materiałach w Stanach Zjednoczonych i Japonii zaobserwowali nadprzewodnictwo i analogię w skręconym dwuwarstwowym grafenie. Stan izolatora Motta ma kąt skręcenia wynoszący około 0,93 stopnia. Kąt ten jest o 15% mniejszy od kąta „magicznego” (1,1°) obliczonego w poprzednim badaniu. Badanie to pokazuje, że zakres „magicznego kąta” skręconego dwuwarstwowego grafenu jest większy niż wcześniej oczekiwano.
Badanie to dostarcza wielu nowych informacji umożliwiających rozszyfrowanie silnych zjawisk kwantowych w skręconym dwuwarstwowym grafenie do zastosowań w fizyce kwantowej. Fizycy definiują „Twistronics” jako względny kąt skręcenia pomiędzy sąsiadującymi warstwami van der Waalsa, prowadzący do wytworzenia mory i płaskich pasm w grafenie. Koncepcja ta stała się nową i unikalną metodą znaczącej zmiany i dostosowywania właściwości urządzeń w oparciu o dwuwymiarowe materiały w celu uzyskania przepływu prądu. Niezwykły efekt „Twistronics” został zilustrowany w pionierskiej pracy naukowców, którzy wykazali, że gdy dwie jednowarstwowe warstwy grafenu ułożone są pod „magicznym kątem” skrętu θ=1,1±0,1°, pojawia się bardzo płaski pas. .
W tym badaniu w skręconym grafenie dwuwarstwowym (TBLG) faza izolacyjna pierwszego mikropaska (cecha strukturalna) supersieci pod „magicznym kątem” była częściowo wypełniona. Zespół badawczy ustalił, że jest to izolator Motta (izolator o właściwościach nadprzewodzących), który wykazuje nadprzewodnictwo przy nieco wyższych i niższych poziomach domieszkowania. Diagram fazowy przedstawia nadprzewodnik wysokotemperaturowy pomiędzy temperaturą przejścia nadprzewodzącego (Tc) a temperaturą Fermiego (Tf). Badania te wywołały duże zainteresowanie i teoretyczną debatę na temat struktury pasma grafenu, topologii i dodatkowych systemów półprzewodników „Magic Angle”. W porównaniu z oryginalnym raportem teoretycznym badania eksperymentalne są rzadkie i dopiero się rozpoczęły. W tym badaniu zespół przeprowadził pomiary transmisji na skręconym dwuwarstwowym grafenie pod „magicznym kątem”, pokazując odpowiednie stany izolacyjne i nadprzewodzące.
Nieoczekiwanie zniekształcony kąt wynoszący 0,93 ± 0,01, czyli o 15% mniejszy niż ustalony „Magiczny Kąt”, jest również najmniejszym zgłoszonym do tej pory i wykazuje właściwości nadprzewodzące. Wyniki te wskazują, że nowy stan korelacji może pojawić się w skręconym dwuwarstwowym grafenie „Magicznego Kąta”, niższym niż pierwotny „magiczny kąt”, za pierwszym mikropaskiem grafenu. Aby zbudować urządzenia ze skręconym dwuwarstwowym grafenem w kształcie „magicznego rogu”, zespół zastosował metodę „rozrywania i układania”. Struktura pomiędzy sześciokątnymi warstwami azotku boru (BN) jest zamknięta; wzorowany na geometrii pręta Halla z wieloma przewodami połączonymi ze stykami krawędziowymi Cr/Au (chrom/złoto). Całe urządzenie ze skręconego dwuwarstwowego grafenu „Magic Angle” zostało wytworzone na wierzchu warstwy grafenu użytej jako tylna brama.
Naukowcy wykorzystują standardowe techniki blokowania prądu stałego (DC) i prądu przemiennego (AC) do pomiaru urządzeń w pompowanych kriostatach HE4 i HE3. Zespół zarejestrował zależność między rezystancją wzdłużną urządzenia (Rxx) a zakresem napięcia bramki rozszerzonej (VG) i obliczył pole magnetyczne B w temperaturze 1,7 K. Zaobserwowano, że mała asymetria elektron-dziura jest nieodłączną właściwością skręconego dwuwarstwowego urządzenia grafenowego „Magic Angle”. Jak zauważono w poprzednich raportach, zespół zarejestrował te wyniki i szczegółowo opisał raporty dotyczące dotychczas nadprzewodnictwa. Charakterystyczny „Magiczny kąt” skręca minimalny kąt skręcenia dwuwarstwowego urządzenia grafenowego. Po bliższym zbadaniu wykresu wachlarzowego Landaua badacze zyskali kilka godnych uwagi cech.
Na przykład pik przy połowie wypełnienia i dwukrotna degeneracja poziomu Landaua są zgodne z wcześniej obserwowanymi stanami izolacji podobnymi do momentu. Zespół wykazał przerwanie symetrii przybliżonej doliny spinowej SU(4) i utworzenie nowej quasi-cząstkowej powierzchni Fermiego. Szczegóły wymagają jednak bardziej szczegółowej kontroli. Zaobserwowano także pojawienie się nadprzewodnictwa, które zwiększyło Rxx (opór podłużny), podobnie jak w poprzednich badaniach. Następnie zespół zbadał temperaturę krytyczną (Tc) fazy nadprzewodzącej. Ponieważ nie uzyskano danych dotyczących optymalnego domieszkowania nadprzewodników w tej próbce, naukowcy przyjęli temperaturę krytyczną wynoszącą maksymalnie 0,5 K. Jednak urządzenia te stają się nieskuteczne, dopóki nie będą w stanie uzyskać wyraźnych danych ze stanu nadprzewodzącego. Aby dokładniej zbadać stan nadprzewodzący, badacze zmierzyli charakterystykę napięcia i prądu (VI) urządzenia na czterech zaciskach przy różnych gęstościach nośników.
Uzyskana rezystancja pokazuje, że superprąd jest obserwowany w większym zakresie gęstości i pokazuje tłumienie superprądu, gdy przyłożone jest równoległe pole magnetyczne. Aby uzyskać wgląd w zachowanie zaobserwowane w badaniu, badacze obliczyli strukturę pasma Moira urządzenia ze skręconym dwuwarstwowym grafenem „Magic Angle”, korzystając z modelu Bistritzera-MacDonalda i ulepszonych parametrów. W porównaniu z poprzednimi obliczeniami kąta „Magicznego Kąta”, obliczone pasmo Moire’a o niskiej energii nie jest odizolowane od pasma o wysokiej energii. Chociaż kąt skręcenia urządzenia jest mniejszy niż kąt „magiczny” obliczony gdzie indziej, w urządzeniu występuje zjawisko silnie powiązane z wcześniejszymi badaniami (izolacja Morta i nadprzewodnictwo), które fizycy uznali za nieoczekiwane i wykonalne.
Po dalszej ocenie zachowania przy dużych gęstościach (liczba stanów dostępnych dla każdej energii) cechy zaobserwowane przez naukowców przypisuje się nowo pojawiającym się powiązanym stanom izolacji. W przyszłości przeprowadzone zostaną bardziej szczegółowe badania gęstości stanów (DOS), aby zrozumieć dziwny stan izolacji i określić, czy można je sklasyfikować jako kwantowe ciecze spinowe. W ten sposób naukowcy zaobserwowali nadprzewodnictwo w pobliżu stanu izolacyjnego podobnego do Moxa w skręconym dwuwarstwowym urządzeniu grafenowym o małym kącie skręcenia (0,93°). Badanie to pokazuje, że nawet przy tak małych kątach i dużych gęstościach wpływ korelacji elektronów na właściwości mory jest taki sam. W przyszłości zbadane zostaną doliny spinowe fazy izolacyjnej oraz nowa faza nadprzewodząca w niższej temperaturze. Badania eksperymentalne zostaną połączone z wysiłkami teoretycznymi mającymi na celu zrozumienie pochodzenia tego zachowania.
Czas publikacji: 8 października 2019 r