Natuurkundigen van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) hebben een nieuwe Mott-toestand ontdekt in gedraaide dubbellagen van grafeen onder de "magische hoek" van 1,1 graden. Deze nieuwe toestand van de materie, gekenmerkt door sterke interacties tussen elektronen en de vorming van een isolerende fase, biedt nieuwe inzichten in de fysica van gecorreleerde elektronensystemen en heeft potentiële implicaties voor de verwerking van kwantuminformatie en andere technologische toepassingen.

Grafeen, een tweedimensionaal materiaal gemaakt van koolstofatomen gerangschikt in een hexagonaal rooster, is het onderwerp geweest van intensief onderzoek vanwege zijn opmerkelijke elektronische eigenschappen en potentiële toepassingen in de nano-elektronica. Door twee grafeenlagen op elkaar te stapelen en ze onder een kleine hoek te draaien, kunnen onderzoekers een systeem creëren dat bekend staat als gedraaide grafeendubbellagen. Bij een specifieke "magische hoek" van 1,1 graden ondergaan de elektronische eigenschappen van deze dubbellagen een dramatische verandering, wat leidt tot de vorming van gecorreleerde elektronentoestanden.

In een studie gepubliceerd in het tijdschrift Nature observeerde het MIT-team, geleid door Pablo Jarillo-Herrero en Yuan Cao, een nieuwe Mott-toestand in gedraaide grafeendubbellagen onder de magische hoek. Met behulp van een combinatie van elektrische transportmetingen en scanning tunneling microscopie ontdekten ze dat het systeem een ​​metaal-naar-isolator-overgang ondergaat naarmate de temperatuur wordt verlaagd, consistent met de vorming van een Mott-toestand. Bovendien observeerden ze een ongebruikelijke coëxistentie van gelokaliseerde en gedelokaliseerde elektronen, wat duidt op een complex samenspel van interacties in dit systeem.

De Mott-toestand die wordt aangetroffen in gedraaide grafeendubbellagen is anders dan die waargenomen in conventionele overgangsmetaaloxiden, waarbij de interacties worden aangedreven door de Coulomb-afstoting tussen elektronen die zich op atomaire locaties bevinden. In gedraaid grafeen komen de interacties voort uit de unieke bandstructuur die ontstaat onder de magische hoek, wat leidt tot een ander mechanisme voor de vorming van de Mott-toestand.

Deze nieuwe Mott-toestand heeft potentiële implicaties voor de ontwikkeling van kwantuminformatietechnologieën. De gelokaliseerde elektronen in de Mott-toestand zouden kunnen dienen als qubits, de basiseenheden van kwantuminformatie. Bovendien biedt de afstembaarheid van de interacties en de elektronische eigenschappen van gedraaide grafeendubbellagen door de draaihoek te variëren een veelzijdig platform voor het bestuderen van gecorreleerde elektronensystemen en kwantumfenomenen.

De ontdekking van de nieuwe Mott-toestand in gedraaide grafeendubbellagen onder de magische hoek opent nieuwe wegen voor onderzoek in de fysica van de gecondenseerde materie en kwantummaterialen. Verder onderzoek op dit gebied zou kunnen leiden tot een dieper begrip van gecorreleerde elektronensystemen en de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van nieuwe kwantumtechnologieën.