Grafen, ett tvådimensionellt material tillverkat av kolatomer arrangerade i ett hexagonalt gitter, har varit föremål för intensiv forskning på grund av dess anmärkningsvärda elektroniska egenskaper och potentiella tillämpningar inom nanoelektronik. Genom att stapla två grafenlager ovanpå varandra och rotera dem med en liten vinkel kan forskare skapa ett system som kallas vridna grafenbilager. Vid en specifik "magisk vinkel" på 1,1 grader genomgår de elektroniska egenskaperna hos dessa dubbelskikt en dramatisk förändring, vilket leder till bildandet av korrelerade elektrontillstånd.
I en studie publicerad i tidskriften Nature observerade MIT-teamet, ledd av Pablo Jarillo-Herrero och Yuan Cao, ett nytt Mott-tillstånd i vridna grafen-dubbelskikt i den magiska vinkeln. Med hjälp av en kombination av elektriska transportmätningar och skanning av tunnelmikroskopi fann de att systemet genomgår en metall-till-isolator-övergång när temperaturen sänks, i överensstämmelse med bildandet av ett Mott-tillstånd. Dessutom observerade de en ovanlig samexistens av lokaliserade och delokaliserade elektroner, vilket tyder på ett komplext samspel av interaktioner i detta system.
Mott-tillståndet som finns i vridna grafen-dubbelskikt är till skillnad från de som observeras i konventionella övergångsmetalloxider, där interaktionerna drivs av Coulomb-repulsionen mellan elektroner lokaliserade på atomära platser. I vriden grafen uppstår interaktionerna från den unika bandstrukturen som uppstår i den magiska vinkeln, vilket leder till en annan mekanism för bildandet av Mott-tillståndet.
Detta nya Mott-tillstånd har potentiella konsekvenser för utvecklingen av kvantinformationsteknologier. De lokaliserade elektronerna i Mott-tillståndet skulle kunna fungera som qubits, de grundläggande enheterna för kvantinformation. Dessutom ger inställningen av interaktionerna och de elektroniska egenskaperna hos vridna grafendubbelskikt genom att variera vridningsvinkeln en mångsidig plattform för att studera korrelerade elektronsystem och kvantfenomen.
Upptäckten av romanen Mott-tillstånd i vridna grafen-dubbelskikt vid den magiska vinkeln öppnar nya vägar för utforskning av kondenserad materiens fysik och kvantmaterial. Ytterligare forskning inom detta område kan leda till en djupare förståelse av korrelerade elektronsystem och bana väg för utvecklingen av nya kvantteknologier.
