Hành vi của các sọc Mohr và các vành đai phẳng trong khoa học về khoa học và vật lý lượng tử được gọi là graphene hai lớp xoắn (TBLG) “Góc kỳ diệu” đã thu hút sự quan tâm lớn từ các nhà khoa học, mặc dù nhiều tính chất phải đối mặt với cuộc tranh luận gay gắt. 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 tại Hoa Kỳ và Nhật Bản đã quan sát thấy tính siêu dẫn và sự tương tự trong 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 kỳ diệu” (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 so với dự kiến trước đây.
Nghiên cứu này cung cấp nhiều thông tin mới để giải mã 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 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 để đạt được dòng điện chạy qua. 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 góc xoắn “góc kỳ diệu” là 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 dải vi mô đầu tiên (đặc điểm cấu trúc) của siêu mạng ở "góc ma thuật" được lấp đầy một nửa. Nhóm nghiên cứu xác định rằng đây là chất cách điện Mott (chất cách điện có tính chất siêu dẫn) thể hiện tính siêu dẫn ở mức độ pha tạp cao hơn và thấp hơn một chút. Biểu đồ pha cho thấy siêu dẫn nhiệt độ cao giữa nhiệt độ chuyển tiếp siêu dẫn (Tc) và nhiệt độ Fermi (Tf). Nghiên cứu này dẫn đến sự quan tâm lớn và tranh luận 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 mới chỉ bắt đầu. Trong nghiên cứu này, nhóm đã tiến hành các phép đo truyền trên graphene hai lớp xoắn "góc ma thuật" cho thấy trạng thái cách điện và siêu dẫn có liên quan.
Góc méo 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 tính chất 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, vượt ra ngoài dải graphene đầu tiên. 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 đóng gói; được tạo hoa văn thành hình dạng thanh Hall với nhiều dây được ghép nối với các tiếp điểm cạnh Cr/Au (crom/vàng). Toàn bộ thiết bị graphene hai lớp xoắn “Góc ma thuật” được chế tạo trên lớp graphene được sử dụng làm cổng sau.
Các nhà khoa học sử dụng các kỹ thuật khóa dòng điện một chiều (DC) và dòng điện xoay chiều (AC) tiêu chuẩn để đo các thiết bị trong bình đông lạnh HE4 và HE3 được bơm. Nhóm nghiên cứu đã ghi lại mối quan hệ giữa điện trở dọc (Rxx) của thiết bị và phạm vi 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 "Góc kỳ diệu". Như đã quan sát thấy trong các báo cáo trước đây, nhóm nghiên cứu đã ghi lại những kết quả này và trình bày chi tiết các báo cáo đã siêu dẫn cho đến nay. "Góc kỳ diệu" đặc trưng xoắn góc xoắn tối thiểu của thiết bị graphene hai lớp. Khi xem xét kỹ hơn biểu đồ quạt Landau, các nhà nghiên cứu đã thu được một số tính năng đáng chú ý.
Ví dụ, đỉnh ở nửa lấp đầy và sự thoái hóa gấp đôi của mức Landau phù hợp với các trạng thái cách điện giống như mô men đã quan sát trước đó. Nhóm nghiên cứu đã chỉ ra sự phá vỡ tính đối xứng của thung lũng spin gần đúng SU(4) và sự hình thành của bề mặt Fermi gần đúng là hạt. Tuy nhiên, các chi tiết đòi hỏi phải kiểm tra chi tiết hơn. Sự xuất hiện của siêu dẫn cũng được quan sát thấy, làm tăng Rxx (điện trở dọc), tương tự như các nghiên cứu trước đây. Sau đó, nhóm nghiên cứu đã kiểm tra nhiệt độ tới hạn (Tc) của pha siêu dẫn. Vì không có dữ liệu nào thu được về việc pha tạp tối ưu các chất siêu dẫn trong mẫu này, nên các nhà khoa học đã giả định nhiệt độ tới hạn lên tới 0,5K. Tuy nhiên, các thiết bị này trở nên không 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 các đặc tính điện áp-dòng điện bốn đầu cuối (VI) của thiết bị ở các mật độ hạt tải khác nhau.
Điện trở thu được cho thấy dòng điện siêu lớn được quan sát thấy trên một phạm vi mật độ lớn hơn và cho thấy sự ức chế dòng điện siêu lớn khi một từ trường song song được áp dụng. Để có được cái nhìn sâu sắc về hành vi được quan sát thấy trong nghiên cứu, các nhà nghiên cứu đã tính toán cấu trúc dải Moir của thiết bị graphene hai lớp xoắn “Góc kỳ diệu” bằng cách sử dụng mô hình Bistritzer-MacDonald và các thông số được cải thiện. So với phép tính trước đây về góc “Góc kỳ diệu”, 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 kỳ diệu” 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 điện Mort và siêu dẫn), mà các nhà vật lý thấy là bất ngờ và khả thi.
Sau khi đánh giá thêm hành vi ở mật độ lớn (số trạng thái khả dụng trên mỗi năng lượng), các đặc điểm mà các nhà khoa học quan sát được được quy cho các trạng thái cách điện liên quan mới nổi. Trong tương lai, một nghiên cứu chi tiết hơn về mật độ trạng thái (DOS) sẽ được tiến hành để hiểu trạng thái cách điện kỳ lạ và xác định xem chúng có thể được phân loại là chất lỏng spin lượng tử hay không. Theo cách này, các nhà khoa học đã quan sát thấy siêu dẫn gần trạng thái cách điện giống Mox trong một thiết bị graphene hai lớp xoắn có góc xoắn nhỏ (0,93°). Nghiên cứu này cho thấy rằng ngay cả ở các góc nhỏ như vậy và mật độ cao, hiệu ứng của tương quan electron đối với các đặc tính của moiré là như nhau. Trong tương lai, các thung lũng spin của pha cách điện sẽ được nghiên cứu và một pha siêu dẫn mới sẽ được nghiên cứu ở nhiệt độ thấp hơn. Nghiên cứu thực nghiệm sẽ được kết hợp với các nỗ lực lý thuyết để hiểu nguồn gốc của hành vi này.
Thời gian đăng: 08-10-2019