Een natuurkundegroep van de Universiteit van Oklahoma werpt licht op een nieuwe Mott-toestand die is waargenomen in gedraaide grafeendubbellagen onder de 'magische hoek' in een recent onderzoek dat zojuist is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven . OU-natuurkundigen tonen aan dat de Mott-toestand in grafeendubbellagen de ferromagnetische uitlijning van de elektronenspins bevordert, een fenomeen dat ongehoord is in conventionele Mott-isolatoren, en een nieuw concept over de nieuwe isolatietoestand die wordt waargenomen in gedraaide grafeendubbellagen.

"We proberen de aard van de Mott-staat in dit systeem te begrijpen, " zei Bruno Uchoa, universitair hoofddocent in de Homer L. Dodge afdeling natuurkunde en astrofysica. "De Mott-toestand die we hebben voorgesteld, is een isolerende toestand die in sommige omstandigheden tot supergeleiding kan leiden, maar verschilt van Mott-toestanden die in andere systemen worden waargenomen. Er zijn fundamentele verschillen, echter, en dit is wat we bestuderen."

Mott-fysica is de afgelopen decennia uitgebreid onderzocht in cuprate-supergeleiders bij hoge temperatuur - materialen die in sommige omstandigheden ladingsstromen bij relatief hoge temperaturen kunnen overbrengen zonder enige warmteafvoer te produceren. In de Mott-fase, echter, de beweging van ladingsdragers wordt beperkt door hun sterke wederzijdse elektrische afstoting, wat leidt tot isolerend gedrag, wanneer een materiaal geen elektriciteit kan geleiden.

Het leidt ook tot anti-ferromagnetisme, een toestand waarin de spins van twee naast elkaar zittende elektronen anti-parallel zijn. De laatste eigenschap is het resultaat van het Pauli-uitsluitingsprincipe, een van de vele exotische eigenschappen van de kwantummechanica, waarin staat dat de twee elektronen niet dezelfde kwantumtoestand kunnen bezetten. De nieuwe studie toont aan dat de Mott-toestand in grafeen op fundamentele manieren afwijkt van andere bekende voorbeelden.

Met behulp van twee vellen grafeen die onder een zeer kleine hoek zijn gedraaid, bekend als de 'magische hoek, ' correleert het systeem met eigenschappen die worden gezien in supergeleiders bij hoge temperatuur. Grafeen is gemaakt van koolstof en het dunste materiaal in het universum, slechts één atoom dik. Het materiaal is als een honingraatrooster, dus twee lagen die onder een zeer kleine hoek zijn gedraaid, zorgen ervoor dat de elektronen anders bewegen. Het nieuwe werk laat zien dat roosterbeperkingen die worden opgelegd door de kleine draaihoek de parallelle uitlijning van de elektronische spins sterk kunnen bevorderen, zelfs wanneer elektronen elkaar sterk afstoten. De OU-natuurkundigen stelden een nieuwe Mott-toestand voor waarin deze elektronen zich gedragen op manieren die nog niet eerder zijn gezien.

"Verdraaide grafeendubbellagen zijn veelbelovend voor een verscheidenheid aan technologische toepassingen in nanodevices, " zei Kangjun Seo, een postdoctoraal onderzoeker in de OU-groep, wie was de eerste auteur van het onderzoek. "Dit is een zeer interessant en belangrijk fysiek systeem."

Het OU-papier, "Ferromagnetische Mott-toestand in gedraaide grafeendubbellagen onder de magische hoek, " is onlangs gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .