In materiaalkunde en kwantumfysica, platte banden en gecorreleerd gedrag binnen de "magische hoek" gedraaid dubbellaags grafeen (tBLG) heeft aanzienlijke belangstelling gewekt, hoewel veel van zijn eigenschappen te maken hebben met hevig debat. In een nieuw rapport gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , Emilio Codecido en collega's van de afdelingen natuurkunde en materiaalkunde in de VS en Japan observeerden zowel supergeleiding als een Mott-achtige isolatortoestand in een tBLG-apparaat met een draaihoek van ongeveer 0,93 graden. Deze hoek was 15 procent kleiner dan de magische hoek die in eerdere onderzoeken werd berekend (∼ 1,1°). De studie onthulde dat het "magische" bereik van tBLG groter is dan eerder werd verwacht. Het werk leverde een schat aan nieuwe informatie op om de sterke kwantumverschijnselen binnen tBLG-apparaten te ontcijferen voor toepassingen in de kwantumfysica.

Natuurkundigen definiëren 'Twistronics' als de relatieve draaihoek tussen aangrenzende van der Waals-lagen om een ​​moiré-superrooster en platte banden in grafeen te produceren. Het concept is naar voren gekomen als een nieuwe en uniek geschikte benadering om tweedimensionale materiaalgebaseerde apparaateigenschappen aanzienlijk te veranderen en aan te passen om de stroom van elektriciteit mogelijk te maken. Het opmerkelijke effect van Twistronics wordt geïllustreerd in baanbrekend recent werk van onderzoekers die de opkomst van extreem platte banden aantoonden toen twee monolaagse grafeenlagen werden gestapeld met een magische draaihoek van θ =1,1 ± 0,1 °.

In het huidige werk, Codecido et al. heeft experimenteel een beledigende fase waargenomen bij de halve vulling van de eerste miniband van het superrooster (structureel kenmerk) in het apparaat met gedraaide dubbellaagse grafeen (tBLG) onder de magische hoek. Het onderzoeksteam identificeerde dit als een Mott-isolator (een isolator met eigenschappen van supergeleiding) die supergeleiding vertoont bij iets hogere en lagere doping. Het fasediagram onthulde hoge temperatuur supergeleiders tussen de supergeleiding overgangstemperatuur (Tc) en de Fermi-temperatuur (T _F ). Het werk leidde tot enorme belangstelling en theoretisch debat over het halfgeleidersysteem in verhouding tot de energiebandstructuur, topologie en extra magische hoeken van grafeen. In vergelijking met de eerste theoretische rapporten, experimentele studies zijn schaars en beginnen nog maar net op te duiken.

In dit onderzoek, het onderzoeksteam voerde transportmetingen uit van een magische hoek tBLG-apparaat dat gecorreleerde isolerende en supergeleidende toestanden vertoonde. Ze kregen onverwacht een draaihoek van 0,93 ± 0,01, die 15 procent kleiner was dan de magische hoek die al was vastgesteld, terwijl het de kleinste is die tot nu toe is gerapporteerd en supergeleiding vertoont. Deze resultaten gaven aan dat de nieuwe gecorreleerde toestanden zouden kunnen ontstaan ​​in het tBLG-apparaat onder de primaire magische hoek en voorbij de eerste miniband van grafeen.

Om de apparaten te bouwen, het onderzoeksteam gebruikte de "tear and stack" -benadering. Ze kapselden het construct in tussen hexagonale boornitride (BN) lagen; patroon in een Hall-staafgeometrie met meerdere leads gekoppeld aan Cr/Au (chroom/goud) randcontacten. Ze fabriceerden het hele apparaat bovenop een grafeenlaag die als achterpoort diende. Codecido et al. de apparaten gemeten in gepompte He ⁴ en hij ³ cryostaten met behulp van standaard gelijkstroom (DC) en wisselstroom (AC) lock-in technieken. Het team registreerde de longitudinale weerstand (Rxx) van het apparaat versus een uitgebreid poortspanningsbereik (Vg) en berekende het magnetische veld B bij een temperatuur van 1,7 K. Ze observeerden dat de kleine elektron-gat-asymmetrie intrinsiek is aan tBLG-apparaten zoals waargenomen in eerdere rapporten. Het team noteerde de resultaten om de kleinste draaihoekwaarde tot nu toe te beschrijven voor tBLG-apparaten die supergeleiding vertonen.

Bij nadere bestudering van het Landau-ventilatordiagram, Codecido et al. een aantal opvallende kenmerken gekregen. Bijvoorbeeld, de piek bij halve vulling en de tweevoudige degeneratie van Landau-niveaus waren consistent met eerdere waarnemingen van een Mott-achtige gecorreleerde isolatietoestand. Het team toonde aan dat de symmetrie van de spin-vallei SU (4) werd verbroken en dat er een nieuw quasi-deeltjes Fermi-oppervlak werd gevormd. Echter, de details vereisten een meer delicaat onderzoek. Ze observeerden ook de opkomst van supergeleiding, die de Rxx (longitudinale weerstand) verhoogde, vergelijkbaar met eerder werk.

Het team onderzocht vervolgens de kritische temperatuur (Tc) van de supergeleidende fase. Aangezien de gegevens niet werden verkregen bij optimale doping voor supergeleiding in dit monster, de wetenschappers gingen ervan uit dat Tc wel 0,5 K zou kunnen zijn. het apparaat werkte niet meer voordat ze duidelijke gegevens uit de supergeleidende toestand konden verkrijgen. Om de supergeleidende toestand verder te onderzoeken, ze maten de vierpolige spanning-stroom (V-I) kenmerken van het apparaat bij verschillende dragerdichtheden. Ze verkregen vertoningen van weerstand en observeerden de superstroom voor een groter bereik van dichtheid en toonden de onderdrukking van superstroom bij toepassing van een parallel magnetisch veld. Om inzicht te krijgen in het gedrag dat in het onderzoek is waargenomen, Codecido et al. berekende de moiré-bandstructuur voor het tBLG-apparaat met behulp van het Bistritzer-MacDonald-model met verfijnde parameters.

In tegenstelling tot eerdere berekeningen van de magische hoek, het onderzoeksteam toonde aan dat de berekende low-energy moiré Dirac-banden niet zo energetisch geïsoleerd waren van de high-energy banden. Hoewel de draaihoek van het apparaat kleiner was dan de magische hoek die elders werd berekend, het apparaat bevatte fenomenen (Mott-achtige isolatie en supergeleiding) die sterk correleerden met eerdere onderzoeken. De natuurkundigen vonden dit zowel onverwacht als wenselijk.

Bij verdere evaluatie van gedrag bij grote dichtheid (het aantal beschikbare toestanden bij elke energie) schreven de wetenschappers de waargenomen kenmerken toe aan een nieuw opkomende gecorreleerde isolatietoestand. Ze stellen in de toekomst aanvullende delicate studies van de dichtheid van toestanden (DOS) voor om de exotische isolatietoestanden te begrijpen en te bepalen of ze al dan niet kunnen worden geclassificeerd als kwantumspinvloeistoffen.

Op deze manier, Emilio Codecido en collega's observeerden supergeleiding in de buurt van een Mott-achtige isolatietoestand in een gedraaid dubbellaags apparaat met een kleine draaihoek (0,93 °). Het werk toonde de invloed van elektronencorrelaties op de eigenschappen van moiré-superroosters, zelfs bij zulke kleine hoeken en hoge dichtheden. Toekomstig werk zal de spin-vallei-ordening van de isolerende fasen onderzoeken en onderzoeken bij lagere temperaturen in hun zoektocht naar nieuwe supergeleidende fasen. De experimentele studies zullen worden gekoppeld aan theoretische inspanningen om de oorsprong van dit gedrag te begrijpen.

© 2019 Wetenschap X Netwerk