Comportamentul dungilor Mohr și al centurilor plate în știința științei și fizica cuantică, numit grafen bistrat răsucit „cu unghi magic” (TBLG), a stârnit un mare interes din partea oamenilor de știință, deși multe proprietăți se confruntă cu dezbateri aprinse. Într-un nou studiu publicat în revista Science Progress, Emilio Colledo și oamenii de știință de la Departamentul de Fizică și Știința Materialelor din Statele Unite și Japonia au observat supraconductivitatea și analogia în grafenul bistrat răsucit. Starea izolatorului Mott are un unghi de răsucire de aproximativ 0,93 grade. Acest unghi este cu 15% mai mic decât unghiul „unghiului magic” (1,1°) calculat în studiul anterior. Acest studiu arată că intervalul „unghiului magic” al grafenului bistrat răsucit este mai mare decât se aștepta anterior.
Acest studiu oferă o multitudine de informații noi pentru descifrarea fenomenelor cuantice puternice din grafenul bistrat răsucit pentru aplicații în fizica cuantică. Fizicienii definesc „Twistronica” ca fiind unghiul relativ de răsucire dintre straturile van der Waals adiacente pentru a produce benzi moiré și plate în grafen. Acest concept a devenit o metodă nouă și unică pentru schimbarea și personalizarea semnificativă a proprietăților dispozitivelor bazate pe materiale bidimensionale pentru a obține fluxul de curent. Efectul remarcabil al „Twistronicii” a fost exemplificat în munca de pionierat a cercetătorilor, demonstrând că atunci când două straturi de grafen cu un singur strat sunt suprapuse la un unghi de răsucire „magic” de θ=1,1±0,1°, apare o bandă foarte plată.
În acest studiu, în grafenul bistrat răsucit (TBLG), faza izolatoare a primei microstrip-uri (caracteristică structurală) a superrețelei la „unghiul magic” a fost semi-umplută. Echipa de cercetare a stabilit că acesta este un izolator Mott (un izolator cu proprietăți supraconductoare) care prezintă supraconductivitate la niveluri de dopaj ușor mai mari și mai mici. Diagrama de fază prezintă supraconductorul la temperatură înaltă între temperatura de tranziție supraconductoare (Tc) și temperatura Fermi (Tf). Această cercetare a condus la un mare interes și la dezbateri teoretice asupra structurii benzilor de grafen, topologiei și sistemelor semiconductoare suplimentare de „unghi magic”. Comparativ cu raportul teoretic original, cercetările experimentale sunt rare și abia au început. În acest studiu, echipa a efectuat măsurători de transmisie pe grafenul bistrat răsucit „cu unghi magic”, arătând stările izolatoare și supraconductoare relevante.
Un unghi distorsionat neașteptat de 0,93 ± 0,01, cu 15% mai mic decât „Unghiul Magic” stabilit, este, de asemenea, cel mai mic raportat până în prezent și prezintă proprietăți supraconductoare. Aceste rezultate indică faptul că noua stare de corelație poate apărea în grafenul bistrat răsucit „Unghiul Magic”, mai jos decât „unghiul magic” primar, dincolo de prima microbandă de grafen. Pentru a construi aceste dispozitive de grafen bistrat răsucit de tip „corn magic”, echipa a folosit o abordare de tip „rupere și stivuire”. Structura dintre straturile hexagonale de nitrură de bor (BN) este încapsulată; modelată într-o geometrie de tijă Hall cu mai multe fire cuplate la contacte de margine Cr/Au (crom/aur). Întregul dispozitiv de grafen bistrat răsucit „Unghiul Magic” a fost fabricat deasupra stratului de grafen utilizat ca poartă din spate.
Oamenii de știință utilizează tehnici standard de blocare în curent continuu (CC) și curent alternativ (CA) pentru a măsura dispozitivele din criostate HE4 și HE3 pompate. Echipa a înregistrat relația dintre rezistența longitudinală a dispozitivului (Rxx) și intervalul extins de tensiune de poartă (VG) și a calculat câmpul magnetic B la o temperatură de 1,7 K. S-a observat că o asimetrie mică electron-gaură este o proprietate inerentă a dispozitivului cu grafen bistrat răsucit „Unghiul magic”. Așa cum s-a observat în rapoartele anterioare, echipa a înregistrat aceste rezultate și a detaliat rapoartele care au fost supraconductoare până în prezent. „Unghiul magic” caracteristic răsucește unghiul minim de torsiune al dispozitivului cu grafen bistrat. Printr-o examinare mai atentă a diagramei evantai Landau, cercetătorii au descoperit câteva caracteristici notabile.
De exemplu, vârful la jumătatea umplerii și degenerarea dublă a nivelului Landau sunt în concordanță cu stările de izolație de tip moment observate anterior. Echipa a arătat o ruptură în simetria văii de spin aproximative SU(4) și formarea unei noi suprafețe Fermi de cvasiparticule. Cu toate acestea, detaliile necesită o inspecție mai detaliată. A fost observată și apariția supraconductivității, care a crescut Rxx (rezistența longitudinală), similar studiilor anterioare. Echipa a examinat apoi temperatura critică (Tc) a fazei supraconductoare. Deoarece nu au fost obținute date pentru doparea optimă a supraconductorilor în această probă, oamenii de știință au presupus o temperatură critică de până la 0,5K. Cu toate acestea, aceste dispozitive devin ineficiente până când nu sunt capabile să obțină date clare din starea supraconductoare. Pentru a investiga în continuare starea supraconductoare, cercetătorii au măsurat caracteristicile tensiune-curent (VI) la patru terminale ale dispozitivului la diferite densități de purtătoare.
Rezistența obținută arată că supercurentul este observat pe un interval de densitate mai mare și arată suprimarea supercurentului atunci când se aplică un câmp magnetic paralel. Pentru a obține o perspectivă asupra comportamentului observat în studiu, cercetătorii au calculat structura benzii Moir a dispozitivului de grafen bistrat răsucit „Magic Angle” folosind modelul Bistritzer-MacDonald și parametri îmbunătățiți. Comparativ cu calculul anterior al unghiului „Magic Angle”, banda Moir de energie scăzută calculată nu este izolată de banda de energie înaltă. Deși unghiul de răsucire al dispozitivului este mai mic decât unghiul „magic angle” calculat în altă parte, dispozitivul prezintă un fenomen puternic legat de studiile anterioare (izolația Mort și supraconductivitatea), pe care fizicienii l-au considerat neașteptat și fezabil.
După evaluarea suplimentară a comportamentului la densități mari (numărul de stări disponibile pentru fiecare energie), caracteristicile observate de oamenii de știință sunt atribuite noilor stări de izolație asociate. În viitor, va fi efectuat un studiu mai detaliat al densității stărilor (DOS) pentru a înțelege starea impară de izolație și pentru a determina dacă acestea pot fi clasificate drept lichide de spin cuantic. În acest fel, oamenii de știință au observat supraconductivitate apropiată de starea de izolație de tip Mox într-un dispozitiv de grafen bistrat răsucit cu un unghi de răsucire mic (0,93°). Acest studiu arată că, chiar și la unghiuri atât de mici și densități mari, efectul corelației electronice asupra proprietăților moiré este același. În viitor, vor fi studiate văile de spin ale fazei izolatoare și o nouă fază supraconductoare va fi studiată la o temperatură mai scăzută. Cercetările experimentale vor fi combinate cu eforturi teoretice pentru a înțelege originea acestui comportament.
Data publicării: 08 oct. 2019