Onlangs, een team van wetenschappers onder leiding van Pablo Jarillo-Herrero van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) zorgde voor een enorme opschudding op het gebied van de fysica van de gecondenseerde materie toen ze aantoonden dat twee vellen grafeen onder specifieke hoeken verdraaiden - genaamd "magische hoek" grafeen -toon twee opkomende fasen van materie die niet worden waargenomen in losse vellen grafeen. Grafeen is een honingraatrooster van koolstofatomen - het is in wezen een één atoom dikke laag grafiet, het donker, schilferig materiaal in potloden.

In twee artikelen die in maart 2018 online zijn gepubliceerd en in de 5 april verschenen, 2018 nummer van het tijdschrift Natuur , het team meldde dat het gedraaide dubbelgelaagde grafeen (tBLG) een onconventionele supergeleidende fase vertoont, verwant aan wat wordt gezien in supergeleidende cupraten bij hoge temperatuur. Deze fase wordt verkregen door doping (elektronen injecteren in) een isolerende toestand, die de MIT-groep interpreteerde als een voorbeeld van Mott-isolatie. Een gezamenlijk team van wetenschappers van UCSB en Columbia University heeft de opmerkelijke MIT-resultaten gereproduceerd. De ontdekking is veelbelovend voor de uiteindelijke ontwikkeling van supergeleiders bij kamertemperatuur en tal van andere even baanbrekende toepassingen.

Onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign hebben onlangs aangetoond dat het door het MIT-team gerapporteerde isolerende gedrag verkeerd is toegeschreven. Professor Philip Philips, een bekend expert in de fysica van Mott-isolatoren, zegt dat een zorgvuldige beoordeling van de MIT-experimentele gegevens door zijn team onthulde dat het isolerende gedrag van het 'magische hoek'-grafeen geen Mott-isolatie is, maar iets nog diepers:een Wigner-kristal.

"Mensen zijn op zoek naar duidelijke voorbeelden van Wigner-kristallen sinds Wigner ze voor het eerst voorspelde in de jaren dertig, "Beweert Phillips. "Ik denk dat dit nog spannender is dan als het een Mott-isolator zou zijn."

Hoofdauteur van de U of I-studie, afgestudeerde student Bikash Padhi, verklaart, "Als het ene vel grafeen op het andere wordt gedraaid, Moiré-patronen ontstaan ​​als gevolg van de offset in de honingraatstructuur. Door kunstmatig elektronen in deze platen te injecteren, de MIT-groep verkreeg nieuwe fasen van materie die kunnen worden begrepen door deze extra elektronen op het bed van dit moiré-patroon te bestuderen. Door de elektronendichtheid te vergroten, de MIT-groep observeerde een isolerende toestand wanneer 2 en 3 elektronen zich in een moiré-eenheidscel bevinden. Ze voerden aan dat dit gedrag een voorbeeld is van Mott-fysica."

Waarom kan het geen Mott-fysica zijn?

Philips legt uit, "Mott-isolatoren zijn een klasse materialen die geleidend zouden moeten zijn als er geen rekening wordt gehouden met elektronische interacties, maar als daar rekening mee wordt gehouden, zijn in plaats daarvan isolerend. Er zijn twee hoofdredenen waarom we vermoeden dat de tBLG geen Mott-isolator vormt:de waargenomen metaal-isolatorovergang biedt slechts één karakteristieke energieschaal, terwijl conventionele Mott-isolatoren worden beschreven door twee schalen. Volgende, in het MIT-rapport, in tegenstelling tot wat men van een Mott-systeem verwacht, er was geen isolator toen er slechts 1 elektron per eenheidscel was. Dit is fundamenteel in strijd met Mottness."

De begeleidende figuur toont de kristallijne toestanden die deze gegevens verklaren.

Wat is een Wigner-kristal?

Om Wigner-kristallen te begrijpen, Padhi biedt deze analogie:"Stel je een groep mensen voor, elk in een grote bol en rondrennen in een afgesloten ruimte. Als deze bol klein is, kunnen ze vrij bewegen, maar naarmate hij groter wordt, kan je vaker dan voorheen botsen en uiteindelijk kan er een punt waarop ze allemaal vastzitten op hun positie, omdat elke kleine beweging onmiddellijk door de volgende persoon wordt voorkomen. Dit is eigenlijk wat een kristal is. De mensen hier zijn elektronen, en de bol is een maat voor hun afstoting."

Phillips crediteert Padhi voor het geven van de aanzet voor het onderzoek.

Deze resultaten zijn vooraf online gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters in het artikel, "Gedoteerd gedraaid dubbellaags grafeen in de buurt van magische hoeken:nabijheid van Wigner-kristallisatie niet Mott-isolatie, " op 5 sept. 2018, met de laatste officiële redactie die zal worden opgenomen in het oktobernummer van 2018 van het tijdschrift.

Dit onderzoek werd gefinancierd door het Centre for Emergent Superconductivity, een door het Department of Energy gefinancierd Energy Frontier Research Center, en door de National Science Foundation. De gepresenteerde conclusies zijn die van de onderzoekers en niet noodzakelijk die van de financiers.