In de afgelopen decennia, enorme onderzoeksinspanningen zijn besteed aan de exploratie en verklaring van hoge temperatuur (hoge Tc) supergeleiders, een klasse materialen die bij bijzonder hoge temperaturen geen weerstand vertoont. Nu een team van wetenschappers uit de Verenigde Staten, Duitsland en Japan leggen uit in Natuur hoe de elektronische structuur in gedraaid dubbellaags grafeen het ontstaan ​​van de isolerende toestand in deze systemen beïnvloedt, wat de voorloper is van supergeleiding in materialen met een hoge Tc.

Het vinden van een materiaal dat supergeleidend is bij kamertemperatuur zou leiden tot een technologische revolutie, de energiecrisis verlichten (aangezien tegenwoordig de meeste energie verloren gaat op de weg van opwekking naar gebruik) en de computerprestaties naar een geheel nieuw niveau tillen. Echter, ondanks de vooruitgang die is geboekt bij het begrijpen van deze systemen, een volledige theoretische beschrijving is nog steeds ongrijpbaar, waardoor onze zoektocht naar supergeleiding bij kamertemperatuur voornamelijk toevallig is.

In een grote wetenschappelijke doorbraak in 2018, gedraaid dubbellaags grafeen (TBLG) bleek fasen van materie te vertonen die lijken op die van een bepaalde klasse van supergeleidende materialen met een hoge Tc - de zogenaamde hoge Tc-cuprates. Dit vertegenwoordigt een nieuwe doorbraak via een veel schonere en beter beheersbare experimentele opstelling.

De wetenschappers van het Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD), Freie Universität Berlin (beide in Duitsland), Universiteit van Colombia, het Center for Computational Quantum Physics van het Flatiron Institute (beide in de VS) en het National Institute for Materials Science in Japan richtten zich op de isolerende toestand van TBLG.

Dit materiaal is opgebouwd uit twee atomair dunne lagen grafeen, onder een zeer kleine hoek ten opzichte van elkaar gestapeld. In deze structuur, de isolerende toestand gaat vooraf aan de supergeleidende fase met hoge Tc. Vandaar, een beter begrip van deze fase en wat er toe leidt, is cruciaal voor de beheersing van TBLG.

De wetenschappers gebruikten scanning tunneling microscopie en spectroscopie (STM/STS) om de monsters te onderzoeken. Met deze microscopische techniek elektrisch geleidende oppervlakken kunnen atoom voor atoom worden onderzocht. Met behulp van de baanbrekende 'tear and stack'-methode, ze plaatsten twee atomair dunne lagen grafeen op elkaar en roteerden ze een beetje. Vervolgens, het team bracht de structurele en elektronische eigenschappen van het materiaal op atomaire schaal direct in kaart nabij de 'magische hoek' van ongeveer 1,1°.

De bevindingen, die zojuist zijn gepubliceerd in Natuur , nieuw licht werpen op de factoren die van invloed zijn op de opkomst van supergeleiding in TBLG. Het team merkte op dat de isolerende staat, die voorafgaat aan de supergeleidende toestand, verschijnt op een bepaald niveau van het vullen van het systeem met elektronen. Dit stelt wetenschappers in staat om de sterkte en de aard van de interacties tussen elektronen in deze systemen in te schatten - een cruciale stap in de richting van hun beschrijving.

Vooral, de resultaten laten zien dat twee verschillende Van Hove-singulariteiten (vHs) in de lokale toestandsdichtheid dicht bij de magische hoek lijken, die een dopingafhankelijke scheiding van 40-57 meV hebben. Dit toont voor het eerst duidelijk aan dat de vHs-scheiding aanzienlijk groter is dan eerder werd gedacht. Verder, het team laat duidelijk zien dat de vHs zich in twee pieken splitst wanneer het systeem wordt gedoteerd in de buurt van de vulling van de halve Moiré-band. Deze dopingafhankelijke splitsing wordt verklaard door een correlatie-geïnduceerde kloof, wat betekent dat in TBLG, elektron-geïnduceerde interactie speelt een prominente rol.

Het team ontdekte dat de verhouding van de Coulomb-interactie tot de bandbreedte van elke individuele vHs belangrijker is voor de magische hoek dan de vHs-scheiding. Dit suggereert dat de naburige supergeleidende toestand wordt aangedreven door een Cooper-achtig koppelingsmechanisme op basis van elektron-elektron-interacties. In aanvulling, de STS-resultaten wijzen op een zekere mate van elektronische nematiciteit (spontaan breken van de rotatiesymmetrie van het onderliggende rooster), net als wat wordt waargenomen in cuprates in de buurt van de supergeleidende toestand.

Met dit onderzoek, het team heeft een cruciale stap gezet in het aantonen van de gelijkwaardigheid van de fysica van hoge Tc-cuprates en die van TBLG-materialen. De inzichten die via TBLG in deze studie zijn verkregen, zullen dus het begrip van supergeleiding bij hoge temperaturen in cupraten vergroten en leiden tot een betere analyse van de gedetailleerde werking van deze fascinerende systemen.

Het werk van het team aan de aard van de supergeleidende en isolerende toestanden die in transport worden gezien, zal onderzoekers in staat stellen theorieën te benchmarken en hopelijk uiteindelijk TBLG te begrijpen als een opstap naar een meer complete beschrijving van de hoge Tc-cuprates. In de toekomst, dit zal de weg vrijmaken voor een meer systematische aanpak van het verhogen van supergeleidende temperaturen in deze en soortgelijke systemen.