Magic-angle twisted bilayer grafeen (MATBG) is een op grafeen gebaseerd materiaal met een unieke structuur, bestaande uit twee grafeenvellen die op elkaar zijn gelaagd met een afwijking van ongeveer 1,1°. Deze unieke structuur blijkt verschillende interessante toestanden te herbergen, waaronder gecorreleerde isolerende toestanden en onconventionele supergeleiding.

Eerdere onderzoeken naar MATBG onthulden ook de opkomst van wat bekend staat als een "vreemd" metaalregime in de nabijheid van de supergeleidende koepel, evenals een aanzienlijk verbeterde elektron-fononkoppeling. Hoewel deze waarnemingen door latere werken werden bevestigd, blijven de exacte mechanismen die eraan ten grondslag liggen onduidelijk.

Onderzoekers van het Barcelona Institute of Science and Technology, het National Institute for Material Sciences en het Massachusetts Institute of Technology (MIT) hebben onlangs deze eigenschappen van MATBG nader bekeken met behulp van een ander fasediagram bij lage temperatuur dan dat in eerdere werken werd gebruikt. . Hun paper, gepubliceerd in Nature Physics , verzamelde nieuw waardevol inzicht over het kwantumkritische gedrag van het materiaal.

"Eerste rapporten over de elektrische transporteigenschappen van gedraaid dubbellaags grafeen onthulden twee fascinerende kenmerken:de opkomst van een zogenaamd 'vreemd' metaalregime in de buurt van de supergeleidende koepel en een sterk verbeterde elektron-fononkoppeling," Alexandre Jaoui, een van de onderzoekers die de studie hebben uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Toch delen beide kenmerken, onder bepaalde omstandigheden, een gemeenschappelijk kenmerk:een lineaire-in-temperatuurweerstand. Een vraag die opkwam was:kan een enkel microscopisch mechanisme, elektronen die van fononen worden verstrooid, beide eerdere waarnemingen verklaren? Of is deze handtekening , in het lage temperatuurgebied, wat wijst op het bestaan ​​van extra verstrooiingscentra die ladingsdragers beïnvloeden?"

De antwoorden op deze tot nu toe ongrijpbare vragen kunnen alleen worden gevonden door MATBG te onderzoeken bij lage temperaturen, waar fononen (dat wil zeggen quasideeltjes geassocieerd met golven zoals geluid of trillingen) worden onderdrukt. In de MATBG-apparaten die in eerdere literatuur zijn gerapporteerd, werd de metalen grondtoestand echter meestal verborgen door een reeks faseovergangen.

"We stelden voor om gebruik te maken van onze 'afgeschermde' apparaten, waarin de gecorreleerde isolatoren worden onderdrukt, om grafeen met een magische hoek te bestuderen met een veel eenvoudiger fasediagram bij lage temperatuur:een enkele supergeleidende koepel ingesloten in een metalen fase, "legde Jaoui uit. . "Hierdoor konden we ons concentreren op de laatste staat."

Om hun MATBG-structuur te fabriceren, gebruikten Jaoui en zijn collega's een 'cut-and-stack'-methode die vaak wordt gebruikt door onderzoeksteams die 2D-heterostructuren onderzoeken. Om hun apparaat in te kapselen, gebruikten ze een dunne laag hexagonaal boornitride (hBN).

"De nabijheid van de grafeenlagen tot de metalen poort stelt ons in staat om de isolerende toestanden bij lage temperatuur te onderdrukken en geeft zo verdere toegang tot de metalen grondtoestand," zei Jaoui. "Vervolgens verzamelden we metingen met behulp van conventionele kwantumtransporttechnieken (d.w.z. elektrisch gelijkstroomtransport)."

De metingen verzameld door Jaoui en zijn collega's bevestigden het optreden van hetzelfde 'vreemde' metaalgedrag dat in eerdere studies werd gerapporteerd (d.w.z. een lineaire-in-T-weerstand met een Planckiaanse verstrooiingssnelheid). Uit de studie van het team blijkt echter dat dit gedrag zich uitbreidt tot temperaturen ver onder de Bloch-Grüneisen-temperatuur, terwijl het systeem een ​​eindige Fermi-temperatuur heeft. Bovendien benadrukken hun bevindingen een extra signatuur van vreemde metalliciteit, namelijk een verbeterde lineaire magnetoweerstand.

"Misschien wel het meest interessante deel van deze studie is het herstel van het archetypische gedrag van een ongeordend verdund en gecorreleerd metaal, het Fermi-vloeistofgedrag, weg van de supergeleidende koepel," zei Jaoui. "This evolution suggests that fluctuations of a yet-to-be-determined nature dominate the metallic ground state in the vicinity of the superconducting dome and drive the low-temperature linear resistivity."

Overall, the findings gathered by this team of researchers suggest that quantum fluctuations and superconductivity in MATBG might be related. In the future, their work could inspire new studies examining this possibility and the quantum-critical phase observed in this study further.

"We are now investigating the evolution of the metallic ground state as a function of the 'twist-angle' of twisted bilayer graphene," Jaoui added. "This is, in a very simplistic manner, a knob tuning the strength of the electronic correlations. We will soon publish further report on the metallic ground state of twisted bilayer graphene." + Verder verkennen

Guiding a superconducting future with graphene quantum magic

© 2022 Science X Network