Поведінка смуг Мора та плоских поясів у науковій науці та квантовій фізиці під назвою «магічний кут» скручений двошаровий графен (TBLG) привернула великий інтерес вчених, хоча багато властивостей стикаються з гарячими дебатами. У новому дослідженні, опублікованому в журналі Science Progress, Еміліо Колледо та вчені з Департаменту фізики та матеріалознавства Сполучених Штатів і Японії спостерігали надпровідність і аналогію у скрученому двошаровому графені. Стан ізолятора Мотта має кут закручування приблизно 0,93 градуса. Цей кут на 15% менший за кут «магічного кута» (1,1°), розрахований у попередньому дослідженні. Це дослідження показує, що діапазон «магічного кута» скрученого двошарового графену більший, ніж очікувалося раніше.
Це дослідження надає велику кількість нової інформації для розшифровки сильних квантових явищ у скрученому двошаровому графені для застосування в квантовій фізиці. Фізики визначають «Twistronics» як відносний кут закручування між сусідніми шарами Ван-дер-Ваальса для створення муару та плоских смуг у графені. Ця концепція стала новим і унікальним методом суттєвої зміни та налаштування властивостей пристроїв на основі двовимірних матеріалів для досягнення потоку струму. Надзвичайний ефект Twistronics був продемонстрований у піонерській роботі дослідників, яка продемонструвала, що коли два одношарові графенові шари укладаються під «чарівним кутом» кут закручування θ=1,1±0,1°, з’являється дуже плоска смуга. .
У цьому дослідженні в скрученому двошаровому графені (TBLG) ізоляційна фаза першої мікросмужки (структурної особливості) надґратки під «магічним кутом» була напівзаповнена. Дослідницька група визначила, що це ізолятор Мотта (ізолятор із надпровідними властивостями), який демонструє надпровідність при трохи вищих і нижчих рівнях легування. Фазова діаграма показує високотемпературний надпровідник між температурою надпровідного переходу (Tc) і температурою Фермі (Tf). Це дослідження призвело до великого інтересу та теоретичних дебатів щодо зонної структури графену, топології та додаткових напівпровідникових систем «магічного кута». Порівняно з оригінальним теоретичним звітом, експериментальні дослідження є рідкісними і тільки розпочалися. У цьому дослідженні команда провела вимірювання пропускання скрученого двошарового графену під «магічним кутом», показуючи відповідні ізоляційні та надпровідні стани.
Несподівано викривлений кут 0,93 ± 0,01, що на 15% менше встановленого «магічного кута», також є найменшим із зареєстрованих на сьогоднішній день і демонструє властивості надпровідності. Ці результати вказують на те, що новий стан кореляції може з’явитися в скрученому двошаровому графені «магічного кута», нижчого, ніж основний «магічний кут», за межами першої мікросмужки графену. Для створення цих скручених двошарових графенових пристроїв із «чарівним рогом» команда використала підхід «розрив і стек». Структура між шарами гексагонального нітриду бору (BN) інкапсульована; візерунком у формі стержня Холла з декількома дротами, з’єднаними з краєвими контактами Cr/Au (хром/золото). Весь скручений двошаровий графеновий пристрій «Magic Angle» був виготовлений поверх графенового шару, який використовувався як задні ворота.
Вчені використовують стандартні методи блокування постійного (DC) і змінного струму (AC) для вимірювання пристроїв у кріостатах HE4 і HE3 з накачуванням. Команда записала залежність між поздовжнім опором пристрою (Rxx) і розширеним діапазоном напруги затвора (VG) і розрахувала магнітне поле B при температурі 1,7 К. Було виявлено, що невелика електронно-діркова асиметрія є невід’ємною властивістю скрученого двошарового графенового пристрою «Magic Angle». Як зазначалося в попередніх звітах, команда записала ці результати та детально описала звіти, які досі були надпровідними. Характерний «магічний кут» закручує мінімальний кут кручення двошарового графенового пристрою. Уважніше вивчивши віялову діаграму Ландау, дослідники отримали деякі помітні особливості.
Наприклад, пік на половині заповнення та подвійне виродження рівня Ландау узгоджуються з раніше спостережуваними моментними станами ізоляції. Команда показала порушення симетрії приблизної спінової долини SU(4) і утворення нової квазічастинкової поверхні Фермі. Однак деталі вимагають більш детальної перевірки. Також спостерігалася поява надпровідності, яка збільшила Rxx (поздовжній опір), подібно до попередніх досліджень. Потім команда дослідила критичну температуру (Tc) надпровідної фази. Оскільки не було отримано даних щодо оптимального легування надпровідників у цьому зразку, вчені припустили критичну температуру до 0,5 К. Однак ці пристрої стають неефективними, поки вони не зможуть отримати чіткі дані з надпровідного стану. Для подальшого дослідження надпровідного стану дослідники виміряли вольто-амперні (VI) характеристики пристрою при різних щільностях носіїв.
Отриманий опір показує, що надструм спостерігається у більшому діапазоні щільності, і показує придушення надструму, коли прикладається паралельне магнітне поле. Щоб отримати уявлення про поведінку, яка спостерігалася в дослідженні, дослідники розрахували структуру смуги Муара скрученого двошарового графенового пристрою «Magic Angle» за допомогою моделі Бістрітцера-Макдональда та покращених параметрів. Порівняно з попереднім обчисленням кута «магічного кута», розрахована низькоенергетична смуга муару не ізольована від високоенергетичної смуги. Незважаючи на те, що кут повороту пристрою менший, ніж кут «магічного кута», розрахований в іншому місці, пристрій має явище, яке тісно пов’язане з попередніми дослідженнями (ізоляція Морта та надпровідність), які фізики визнали неочікуваними та можливими.
Після подальшої оцінки поведінки при великих густинах (кількості станів, доступних для кожної енергії), характеристики, які спостерігали вчені, відносяться до нових пов’язаних ізоляції станів. У майбутньому буде проведено більш детальне дослідження щільності станів (DOS), щоб зрозуміти непарний стан ізоляції та визначити, чи можна їх класифікувати як квантові спінові рідини. Таким чином вчені спостерігали надпровідність поблизу Mox-подібного ізоляційного стану в крученому двошаровому графеновому пристрої з малим кутом закручування (0,93°). Це дослідження показує, що навіть при таких малих кутах і високій щільності вплив електронної кореляції на властивості муару є однаковим. Надалі будуть досліджені спінові долини ізоляційної фази, а нова надпровідна фаза – при більш низькій температурі. Експериментальні дослідження будуть поєднані з теоретичними зусиллями, щоб зрозуміти походження такої поведінки.
Час публікації: 08.10.2019