ตัวนำยิ่งยวดของกราฟีนน่าดึงดูดยิ่งขึ้น! การค้นพบครั้งล่าสุด: ช่วงของ "มุมมหัศจรรย์" ในกราฟีนนั้นมากกว่าที่คาดไว้

พฤติกรรมของแถบมอร์และแถบแบนในวิทยาศาสตร์วิทยาศาสตร์และฟิสิกส์ควอนตัมที่เรียกว่า "Magic Angle" กราฟีนแบบบิดสองชั้น (TBLG) ได้รับความสนใจอย่างมากจากนักวิทยาศาสตร์ แม้ว่าคุณสมบัติหลายอย่างต้องเผชิญกับการถกเถียงกันอย่างเผ็ดร้อน ในการศึกษาใหม่ที่ตีพิมพ์ในวารสาร Science Progress Emilio Colledo และนักวิทยาศาสตร์ในภาควิชาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์ในสหรัฐอเมริกาและญี่ปุ่นได้สังเกตเห็นความเป็นตัวนำยิ่งยวดและความคล้ายคลึงในกราฟีนสองชั้นที่บิดเบี้ยว สถานะฉนวน Mott มีมุมบิดประมาณ 0.93 องศา มุมนี้เล็กกว่ามุม "มุมวิเศษ" (1.1°) 15% ที่คำนวณในการศึกษาครั้งก่อน การศึกษาครั้งนี้แสดงให้เห็นว่าช่วง "มุมมหัศจรรย์" ของกราฟีนแบบบิดสองชั้นนั้นมีขนาดใหญ่กว่าที่คาดไว้ก่อนหน้านี้

การศึกษาครั้งนี้ให้ข้อมูลใหม่มากมายสำหรับการถอดรหัสปรากฏการณ์ควอนตัมที่แข็งแกร่งในกราฟีนแบบบิดสองชั้นสำหรับการใช้งานในฟิสิกส์ควอนตัม นักฟิสิกส์ให้คำจำกัดความ “Twistronics” ว่าเป็นมุมการบิดสัมพัทธ์ระหว่างชั้น van der Waals ที่อยู่ติดกัน เพื่อสร้างแถบมัวเรและแถบแบนในกราฟีน แนวคิดนี้ได้กลายเป็นวิธีการใหม่ที่ไม่เหมือนใครในการเปลี่ยนแปลงและปรับแต่งคุณสมบัติของอุปกรณ์อย่างมีนัยสำคัญตามวัสดุสองมิติเพื่อให้เกิดการไหลของกระแส ผลกระทบที่น่าทึ่งของ "Twistronics" ได้รับการยกตัวอย่างในงานบุกเบิกของนักวิจัย ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเมื่อชั้นกราฟีนชั้นเดียวสองชั้นซ้อนกันที่มุมบิด "มุมมหัศจรรย์" ที่ θ=1.1±0.1° แถบที่แบนมากจะปรากฏขึ้น -

ในการศึกษานี้ ในกราฟีนแบบบิดสองชั้น (TBLG) เฟสฉนวนของไมโครสตริปตัวแรก (คุณลักษณะเชิงโครงสร้าง) ของซุปเปอร์แลตทิซที่ "มุมมหัศจรรย์" เป็นแบบกึ่งเติม ทีมวิจัยระบุว่านี่คือฉนวน Mott (ฉนวนที่มีคุณสมบัติเป็นตัวนำยิ่งยวด) ที่แสดงความเป็นตัวนำยิ่งยวดในระดับยาสลบที่สูงขึ้นและต่ำลงเล็กน้อย แผนภาพเฟสแสดงตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงระหว่างอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านของตัวนำยิ่งยวด (Tc) และอุณหภูมิแฟร์มี (Tf) งานวิจัยนี้นำไปสู่ความสนใจและการถกเถียงทางทฤษฎีอย่างมากเกี่ยวกับโครงสร้างแถบกราฟีน โทโพโลยี และระบบเซมิคอนดักเตอร์ "Magic Angle" เพิ่มเติม เมื่อเทียบกับรายงานทางทฤษฎีต้นฉบับ การวิจัยเชิงทดลองหาได้ยากและเพิ่งเริ่มต้น ในการศึกษานี้ ทีมงานได้ทำการวัดการส่งผ่านบนกราฟีนแบบบิดสองชั้น "มุมมหัศจรรย์" ซึ่งแสดงสถานะของฉนวนและตัวนำยิ่งยวดที่เกี่ยวข้อง

มุมที่บิดเบี้ยวอย่างไม่คาดคิดที่ 0.93 ± 0.01 ซึ่งเล็กกว่า "มุมวิเศษ" ที่กำหนดไว้ 15% ยังเป็นมุมที่เล็กที่สุดที่มีการรายงานจนถึงปัจจุบันและแสดงคุณสมบัติของตัวนำยิ่งยวด ผลลัพธ์เหล่านี้บ่งชี้ว่าสถานะความสัมพันธ์ใหม่สามารถปรากฏในกราฟีนแบบบิดสองชั้น "Magic Angle" ซึ่งต่ำกว่า "มุมมหัศจรรย์" หลัก เกินกว่าไมโครสตริปแรกของกราฟีน ในการสร้างอุปกรณ์กราฟีนแบบบิดสองชั้นแบบ "แตรวิเศษ" ทีมงานใช้วิธีการ "ฉีกขาดและซ้อนกัน" โครงสร้างระหว่างชั้นโบรอนไนไตรด์ (BN) หกเหลี่ยมถูกห่อหุ้มไว้ สร้างลวดลายเป็นทรงเรขาคณิต Hall rod โดยใช้สายไฟหลายเส้นควบคู่กับหน้าสัมผัสขอบ Cr/Au (โครเมียม/ทอง) อุปกรณ์กราฟีนแบบบิดสองชั้น “Magic Angle” ทั้งหมดถูกประดิษฐ์ขึ้นที่ด้านบนของชั้นกราฟีนที่ใช้เป็นประตูด้านหลัง

นักวิทยาศาสตร์ใช้เทคนิคการล็อคกระแสตรง (DC) และกระแสสลับ (AC) มาตรฐานในการวัดอุปกรณ์ในตู้แช่แข็ง HE4 และ HE3 แบบสูบ ทีมงานบันทึกความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานตามยาวของอุปกรณ์ (Rxx) และช่วงแรงดันเกตขยาย (VG) และคำนวณสนามแม่เหล็ก B ที่อุณหภูมิ 1.7K ความไม่สมมาตรของรูอิเล็กตรอนขนาดเล็กถูกสังเกตว่าเป็นคุณสมบัติโดยธรรมชาติของอุปกรณ์กราฟีนแบบบิดสองชั้น "Magic Angle" ตามที่สังเกตในรายงานก่อนหน้านี้ ทีมงานได้บันทึกผลลัพธ์เหล่านี้และให้รายละเอียดรายงานที่มีตัวนำยิ่งยวดจนถึงขณะนี้ คุณลักษณะ “Magic Angle” จะบิดมุมบิดต่ำสุดของอุปกรณ์กราฟีนแบบสองชั้น ด้วยการตรวจสอบแผนภูมิแฟนคลับของ Landau อย่างใกล้ชิด นักวิจัยได้รับคุณลักษณะเด่นบางประการ

ตัวอย่างเช่น จุดสูงสุดที่การเติมเต็มครึ่งหนึ่งและความเสื่อมสองเท่าของระดับรถม้าสี่ล้อนั้นสอดคล้องกับสถานะของฉนวนที่คล้ายโมเมนต์ที่สังเกตไว้ก่อนหน้านี้ ทีมงานได้แสดงให้เห็นถึงความสมมาตรของหุบเขาหมุนโดยประมาณ SU (4) และการก่อตัวของพื้นผิว Fermi กึ่งอนุภาคใหม่ อย่างไรก็ตามรายละเอียดดังกล่าวจำเป็นต้องมีการตรวจสอบอย่างละเอียดมากขึ้น นอกจากนี้ยังสังเกตการปรากฏตัวของตัวนำยิ่งยวด ซึ่งเพิ่ม Rxx (ความต้านทานตามยาว) คล้ายกับการศึกษาก่อนหน้านี้ จากนั้นทีมงานได้ตรวจสอบอุณหภูมิวิกฤติ (Tc) ของเฟสตัวนำยิ่งยวด เนื่องจากไม่ได้รับข้อมูลสำหรับการเติมสารตัวนำยิ่งยวดที่เหมาะสมที่สุดในตัวอย่างนี้ นักวิทยาศาสตร์จึงสันนิษฐานว่าอุณหภูมิวิกฤติอยู่ที่ 0.5K อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์เหล่านี้จะใช้งานไม่ได้จนกว่าจะสามารถรับข้อมูลที่ชัดเจนจากสถานะตัวนำยิ่งยวดได้ เพื่อตรวจสอบสถานะของตัวนำยิ่งยวดเพิ่มเติม นักวิจัยได้วัดลักษณะเฉพาะของแรงดันไฟฟ้า (VI) สี่ขั้วของอุปกรณ์ที่ความหนาแน่นพาหะต่างกัน

ความต้านทานที่ได้รับแสดงให้เห็นว่ากระแสซุปเปอร์ถูกสังเกตในช่วงความหนาแน่นที่มากขึ้นและแสดงการปราบปรามของกระแสซุปเปอร์เมื่อใช้สนามแม่เหล็กคู่ขนาน เพื่อให้ได้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับพฤติกรรมที่สังเกตได้ในการศึกษานี้ นักวิจัยได้คำนวณโครงสร้าง Moir band ของอุปกรณ์กราฟีนแบบบิดสองชั้น "Magic Angle" โดยใช้แบบจำลอง Bistritzer-MacDonald และพารามิเตอร์ที่ได้รับการปรับปรุง เมื่อเปรียบเทียบกับการคำนวณมุม "มุมมหัศจรรย์" ก่อนหน้านี้ แถบมัวร์พลังงานต่ำที่คำนวณได้จะไม่แยกออกจากแถบพลังงานสูง แม้ว่ามุมบิดของอุปกรณ์จะเล็กกว่ามุม "มุมมหัศจรรย์" ที่คำนวณจากที่อื่น อุปกรณ์ก็มีปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องอย่างมากกับการศึกษาก่อนหน้านี้ (ฉนวนมอร์ตและความเป็นตัวนำยิ่งยวด) ซึ่งนักฟิสิกส์พบว่าเป็นสิ่งที่คาดไม่ถึงและเป็นไปได้

หลังจากประเมินพฤติกรรมที่ความหนาแน่นสูงเพิ่มเติม (จำนวนสถานะที่มีอยู่ในแต่ละพลังงาน) ลักษณะที่นักวิทยาศาสตร์สังเกตได้นั้นมาจากสถานะของฉนวนที่เพิ่งเกิดขึ้นใหม่ ในอนาคต จะมีการศึกษาความหนาแน่นของสถานะ (DOS) ในรายละเอียดเพิ่มเติมเพื่อทำความเข้าใจสถานะแปลกของฉนวน และเพื่อพิจารณาว่าสามารถจัดประเภทเป็นของเหลวควอนตัมสปินได้หรือไม่ ด้วยวิธีนี้ นักวิทยาศาสตร์สังเกตความเป็นตัวนำยิ่งยวดใกล้กับสถานะฉนวนคล้าย Mox ในอุปกรณ์กราฟีนแบบบิดสองชั้นที่มีมุมบิดเล็กน้อย (0.93°) การศึกษานี้แสดงให้เห็นว่าแม้ในมุมเล็กๆ และมีความหนาแน่นสูง ผลของความสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนต่อคุณสมบัติของมอเร่ก็ยังเหมือนเดิม ในอนาคต จะมีการศึกษาหุบเขาหมุนของเฟสฉนวน และเฟสตัวนำยิ่งยวดใหม่จะถูกศึกษาที่อุณหภูมิต่ำกว่า การวิจัยเชิงทดลองจะรวมกับความพยายามทางทฤษฎีเพื่อทำความเข้าใจที่มาของพฤติกรรมนี้