Hành trạng của các sọc Mohr và vành đai phẳng trong khoa học khoa học và vật lý lượng tử được gọi là graphene hai lớp xoắn “Magic Angle” (TBLG) đã thu hút sự quan tâm lớn từ các nhà khoa học, mặc dù nhiều tính chất đang phải đối mặt với cuộc tranh luận sôi nổi. Trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Science Progress, Emilio Colledo và các nhà khoa học tại Khoa Vật lý và Khoa học Vật liệu ở Hoa Kỳ và Nhật Bản đã quan sát thấy tính siêu dẫn và tính tương tự ở graphene hai lớp xoắn. Trạng thái cách điện Mott có góc xoắn khoảng 0,93 độ. Góc này nhỏ hơn 15% so với góc “góc ma thuật” (1,1°) được tính toán trong nghiên cứu trước đó. Nghiên cứu này cho thấy phạm vi “góc kỳ diệu” của graphene hai lớp xoắn lớn hơn dự đoán trước đây.
Nghiên cứu này cung cấp nhiều thông tin mới để giải mã các hiện tượng lượng tử mạnh trong graphene hai lớp xoắn cho các ứng dụng trong vật lý lượng tử. Các nhà vật lý định nghĩa “Twistronics” là góc xoắn tương đối giữa các lớp van der Waals liền kề để tạo ra các dải moiré và dải phẳng trong graphene. Khái niệm này đã trở thành một phương pháp mới và độc đáo để thay đổi và tùy chỉnh đáng kể các đặc tính của thiết bị dựa trên vật liệu hai chiều nhằm đạt được dòng điện. Hiệu ứng đáng chú ý của “Twistronics” đã được minh họa trong công trình tiên phong của các nhà nghiên cứu, chứng minh rằng khi hai lớp graphene một lớp được xếp chồng lên nhau ở một góc xoắn “góc ma thuật” θ=1,1±0,1°, một dải rất phẳng sẽ xuất hiện. .
Trong nghiên cứu này, trong graphene hai lớp xoắn (TBLG), pha cách điện của vi dải đầu tiên (đặc điểm cấu trúc) của siêu mạng ở “góc ma thuật” đã được lấp đầy một phần. Nhóm nghiên cứu xác định đây là chất cách điện Mott (chất cách điện có đặc tính siêu dẫn) thể hiện tính siêu dẫn ở mức độ pha tạp cao hơn và thấp hơn một chút. Sơ đồ pha cho thấy chất siêu dẫn nhiệt độ cao giữa nhiệt độ chuyển tiếp siêu dẫn (Tc) và nhiệt độ Fermi (Tf). Nghiên cứu này đã gây ra sự quan tâm lớn và tranh luận về mặt lý thuyết về cấu trúc dải graphene, cấu trúc liên kết và các hệ thống bán dẫn “Góc ma thuật” bổ sung. So với báo cáo lý thuyết ban đầu, nghiên cứu thực nghiệm rất hiếm và chỉ mới bắt đầu. Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã tiến hành các phép đo truyền qua trên graphene hai lớp xoắn “góc ma thuật” cho thấy các trạng thái cách điện và siêu dẫn có liên quan.
Góc bị biến dạng bất ngờ là 0,93 ± 0,01, nhỏ hơn 15% so với “Góc ma thuật” đã được thiết lập, cũng là góc nhỏ nhất được báo cáo cho đến nay và thể hiện các đặc tính siêu dẫn. Những kết quả này chỉ ra rằng trạng thái tương quan mới có thể xuất hiện trong graphene hai lớp xoắn “Góc ma thuật”, thấp hơn “góc ma thuật” chính, nằm ngoài vi dải đầu tiên của graphene. Để chế tạo các thiết bị graphene hai lớp xoắn “sừng ma thuật” này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp “xé và xếp chồng”. Cấu trúc giữa các lớp boron nitride (BN) hình lục giác được bao bọc; được tạo thành hình dạng thanh Hall với nhiều dây được ghép với các tiếp điểm cạnh Cr/Au (crom/vàng). Toàn bộ thiết bị graphene hai lớp xoắn “Magic Angle” được chế tạo bên trên lớp graphene được dùng làm cổng sau.
Các nhà khoa học sử dụng kỹ thuật khóa dòng điện một chiều (DC) và dòng điện xoay chiều (AC) tiêu chuẩn để đo các thiết bị trong bộ điều hòa nhiệt độ HE4 và HE3 được bơm. Nhóm nghiên cứu đã ghi lại mối liên hệ giữa điện trở dọc (Rxx) của thiết bị và dải điện áp cổng mở rộng (VG) và tính toán từ trường B ở nhiệt độ 1,7K. Sự bất đối xứng lỗ electron nhỏ được quan sát thấy là một đặc tính vốn có của thiết bị graphene hai lớp xoắn “Magic Angle”. Như đã quan sát trong các báo cáo trước đây, đội nghiên cứu đã ghi lại những kết quả này và trình bày chi tiết các báo cáo về tính siêu dẫn cho đến nay. Đặc tính “Góc ma thuật” xoắn góc xoắn tối thiểu của thiết bị graphene hai lớp. Khi xem xét kỹ hơn biểu đồ người hâm mộ Landau, các nhà nghiên cứu đã thu được một số đặc điểm đáng chú ý.
Ví dụ, đỉnh ở mức lấp đầy một nửa và độ suy biến hai lần của mức Landau phù hợp với các trạng thái cách nhiệt giống như Khoảnh khắc được quan sát trước đó. Đội nghiên cứu đã cho thấy sự phá vỡ tính đối xứng của thung lũng spin gần đúng SU(4) và sự hình thành bề mặt Fermi gần như hạt mới. Tuy nhiên, các chi tiết đòi hỏi phải kiểm tra chi tiết hơn. Sự xuất hiện của tính siêu dẫn cũng được quan sát thấy, làm tăng Rxx (điện trở dọc), tương tự như các nghiên cứu trước đây. Sau đó, đội nghiên cứu đã kiểm tra nhiệt độ tới hạn (Tc) của pha siêu dẫn. Vì không thu được dữ liệu nào về độ pha tạp tối ưu của chất siêu dẫn trong mẫu này nên các nhà khoa học giả định nhiệt độ tới hạn lên tới 0,5K. Tuy nhiên, những thiết bị này trở nên kém hiệu quả cho đến khi chúng có thể thu được dữ liệu rõ ràng từ trạng thái siêu dẫn. Để nghiên cứu sâu hơn về trạng thái siêu dẫn, các nhà nghiên cứu đã đo đặc tính dòng điện áp (VI) bốn cực của thiết bị ở các mật độ sóng mang khác nhau.
Điện trở thu được cho thấy siêu dòng được quan sát trong phạm vi mật độ lớn hơn và cho thấy sự triệt tiêu siêu dòng khi đặt một từ trường song song vào. Để hiểu rõ hơn về hành vi được quan sát trong nghiên cứu, các nhà nghiên cứu đã tính toán cấu trúc dải Moir của thiết bị graphene hai lớp xoắn “Magic Angle” bằng mô hình Bistritzer-MacDonald và cải thiện các thông số. So với phép tính góc “Góc ma thuật” trước đây, dải Moire năng lượng thấp được tính toán không bị cô lập khỏi dải năng lượng cao. Mặc dù góc xoắn của thiết bị nhỏ hơn góc “góc ma thuật” được tính toán ở nơi khác, nhưng thiết bị này có một hiện tượng liên quan chặt chẽ đến các nghiên cứu trước đây (cách nhiệt Mort và tính siêu dẫn), điều mà các nhà vật lý cho là bất ngờ và khả thi.
Sau khi đánh giá thêm hành vi ở mật độ lớn (số lượng trạng thái có sẵn trên mỗi năng lượng), các đặc điểm mà các nhà khoa học quan sát được được cho là do các trạng thái cách điện liên quan mới xuất hiện. Trong tương lai, một nghiên cứu chi tiết hơn về mật độ trạng thái (DOS) sẽ được tiến hành để tìm hiểu trạng thái kỳ lạ của sự cách điện và xác định xem liệu chúng có thể được phân loại là chất lỏng spin lượng tử hay không. Bằng cách này, các nhà khoa học đã quan sát thấy hiện tượng siêu dẫn ở gần trạng thái cách điện giống Mox trong một thiết bị graphene hai lớp xoắn với góc xoắn nhỏ (0,93°). Nghiên cứu này cho thấy ngay cả ở những góc nhỏ và mật độ cao như vậy, ảnh hưởng của tương quan điện tử đến các tính chất của moiré là như nhau. Trong tương lai, các thung lũng quay của pha cách điện sẽ được nghiên cứu và pha siêu dẫn mới sẽ được nghiên cứu ở nhiệt độ thấp hơn. Nghiên cứu thực nghiệm sẽ được kết hợp với những nỗ lực lý thuyết để tìm hiểu nguồn gốc của hành vi này.
Thời gian đăng: Oct-08-2019