De afgelopen jaren is een groeiend aantal onderzoekers wereldwijd doet onderzoek naar de eigenschappen en kenmerken van zogenaamde twisted van der Waals (vdW) materialen. Deze unieke klasse van materialen zou een ideaal platform kunnen zijn om gecorreleerde fasen te onderzoeken die optreden als gevolg van sterke interacties tussen elektronen.

Onderzoekers van de Universiteit van Washington en het National Institute for Materials Science in Japan hebben onlangs een studie uitgevoerd waarin specifiek gecorreleerde isolatietoestanden worden onderzocht die kunnen voorkomen in getwiste vdW-heterostructuren en die kunnen worden afgestemd door de draaihoek te veranderen en een extern elektrisch veld aan te leggen. In hun krant gepubliceerd in Natuurfysica , ze presenteren elektrische transportmetingen van gedraaid dubbel dubbellaags grafeen, van waaruit ze de rol van spontane symmetriebreking in het fasediagram van het materiaal konden onderzoeken.

Natuurkundigen van de gecondenseerde materie weten al meer dan 15 jaar hoe ze enkelvoudige monolaagplaten van materialen zoals grafeen kunnen isoleren met behulp van een Scotch tape-exfoliatieprocedure. Ze weten nu ook hoe ze dunne atoomplaten afzonderlijk moeten oppakken en op elkaar moeten monteren. Als ze worden gedraaid door een kleine draaihoek, er ontstaat een geometrisch interferentiepatroon dat moirépatroon wordt genoemd. Dit patroon kan de elektronische eigenschappen van een composietstructuur sterk wijzigen.

"In bepaalde gevallen, het moirépatroon kan resulteren in spectaculaire nieuwe elektronische toestanden die worden aangedreven door sterke interacties tussen de elektronen in het materiaal, "Matthew Yankowitz, assistent-professor Natuurkunde en Materiaalwetenschappen en Engineering aan de Universiteit van Washington, die de studie heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Dit werd voor het eerst ontdekt in 2018 door onderzoekers van MIT, die supergeleiding en gecorreleerde isolatietoestanden observeerde bij het stapelen van twee monolaagse grafeenvellen gedraaid met 1,1 ° (d.w.z. magische hoek gedraaid dubbellaags grafeen). Deze gecorreleerde toestanden zijn vooral opwindend omdat ze zich in een stoichiometrisch eenvoudige structuur bevinden die volledig uit koolstofatomen bestaat en dynamisch kan worden afgestemd met behulp van een aantal experimentele knoppen zoals ladingsdoping, draaihoek en druk."

Soortgelijke gecorreleerde toestanden zijn ook eerder waargenomen in bulkkristallen, maar in deze materialen, ze waren veel moeilijker af te stemmen en theoretisch te modelleren vanwege de complexe structuren van de kristallen. Het begrijpen van deze sterk gecorreleerde toestanden blijft dus een belangrijke uitdaging in de fysica van de gecondenseerde materie.

Het doel van het recente werk van Yankowitz en zijn collega's was om inzicht te krijgen in hoe deze gecorreleerde toestanden in vdW-heterostructuren kunnen worden gebruikt in onderzoek en technologieontwikkeling. Kort nadat ze voor het eerst werden gezien in met een magische hoek gedraaid dubbellaags grafeen, onderzoeksteams over de hele wereld realiseerden zich dat deze toestanden ook kunnen worden gevonden in heterostructuren die twee gedraaide vellen dubbellaags grafeen bevatten (d.w.z. in totaal vier grafeenlagen).

"In dit geval, de gecorreleerde toestanden kunnen bovendien worden gecontroleerd door een elektrisch veld dat loodrecht op de grafeenplaten wordt aangelegd, " legde Yankowitz uit. "Echter, de exacte aard van deze staten bleef enigszins mysterieus. Vooral, er waren kenmerken die leken op een exotische vorm van supergeleiding, echter, de exacte oorsprong van deze functies werd niet goed begrepen. De primaire motivatie van onze studie was om deze vragen aan te pakken door gedraaid dubbellaags grafeen te bestuderen met elektrische afstembaarheid."

Als onderdeel van hun studie hebben Yankowitz en zijn collega's maten elektrisch transport als functie van temperatuur en magnetisch veld. Als er een klein magnetisch veld is, het teken van weerstand dwars op de aangelegde stroom, die bekend staat als Hall-weerstand, geeft aan welk type subatomaire deeltjes (d.w.z. elektronen of 'gaten') zijn de primaire ladingsdragers in een materiaal.

Wanneer gecorreleerde toestanden spontaan een symmetrie verbreken (d.w.z. ofwel elektronenspin of valleisymmetrie) in gedraaid dubbellaags grafeen bij lage temperaturen, de elektronische structuur van het materiaal verandert snel, en de primaire ladingdragers kunnen ook veranderen. Daarom, gelijktijdig meten van de soortelijke weerstand en het Hall-effect van het materiaal kan waardevol inzicht bieden in de gecorreleerde toestanden erin.

"Door zorgvuldig de soortelijke weerstand en het Hall-effect van gedraaid dubbellaags grafeen als functie van de temperatuur te meten, we ontdekten dat de abrupte weerstand daalt, doet denken aan supergeleiding, werden ook geassocieerd met een gelijktijdige tekenverandering in zijn Hall-weerstand, " zei Xiaodong Xu, hoogleraar Natuurkunde en Materiaalwetenschappen en Engineering aan de Universiteit van Washington. "Deze waarneming is meer consistent met het begin van magnetische ordening als gevolg van spontane symmetriebreking dan met supergeleiding."

interessant, de weerstandsdaling waargenomen door Yankowitz, Xu en hun collega's in gedraaid dubbellaags grafeen ondergaat de scherpste verandering als functie van de temperatuur aan de grens van de symmetrie-brekende toestanden. Als onderdeel van hun studie hebben de onderzoekers onderzochten ook transport als een functie van de bias veroorzaakt door een aangelegde elektrische stroom.

Toen ze een stroom op het materiaal zetten, ze observeerden handtekeningen die verband houden met niet-lineair transport. Hoewel niet-lineair transport ook wordt waargenomen in supergeleidende toestanden, ze ontdekten dat het in hun monster hoogstwaarschijnlijk een gevolg was van Joule-verwarmingsmechanismen.

"Ons werk biedt een kritisch nieuw begrip van voorheen mysterieuze kenmerken die verband houden met gecorreleerde toestanden in gedraaid dubbellaags grafeen, "Zei Yankowitz. "Hoewel we supergeleiding niet direct kunnen uitsluiten, onze resultaten suggereren dat magnetisme aangedreven door spontane symmetriebreking een plausibele kandidaat is voor de gecorreleerde metaaltoestand in gedraaid dubbel dubbellaags grafeen."

In recente jaren, supergeleiding-achtige kenmerken vergelijkbaar met degene die door dit team van onderzoekers is onderzocht, zijn waargenomen in een grote verscheidenheid aan moiré vdW-heterostructuren. De nieuwe bevindingen die ze presenteerden, zouden kunnen helpen om deze toestanden te onderscheiden van de supergeleiding die eerdere studies onthulden in met een magische hoek gedraaid dubbellaags grafeen.

In aanvulling, de waarnemingen verzameld door Yankowitz, Xu en hun collega's zouden kunnen helpen om de aard van gecorreleerde toestanden in moiré vdW heterostructuren beter te begrijpen vanuit een theoretisch standpunt, wat tot nu toe zeer uitdagend is gebleken. De onderzoekers zijn van plan om het verkregen inzicht te gebruiken om meer directe sondes te ontwikkelen om deze toestanden te begrijpen.

"Aangezien onze resultaten suggereren dat de gecorreleerde metaaltoestanden magnetisch geordend zijn, we willen graag directe handtekeningen van dit magnetisme observeren met behulp van een combinatie van elektrisch transport en optische spectroscopie, "Zei Yankowitz. "We onderzoeken ook nieuwe manieren om deze gecorreleerde staten te controleren, bijvoorbeeld door hoge druk uit te oefenen om de tussenlaagkoppeling en kristalstructuur van het materiaal te wijzigen. Eindelijk, theorie voorspelt dat dit materiaal topologische toestanden kan bevatten, zoals het kwantum afwijkende Hall-effect, dus we zijn nu op zoek naar manieren om deze niet-triviale topologie bloot te leggen en te onderzoeken."

© 2020 Wetenschap X Netwerk