Under de senaste decennierna, enorma forskningsansträngningar har lagts ner på utforskning och förklaring av supraledare med hög temperatur (hög-Tc), en klass av material som uppvisar noll motstånd vid särskilt höga temperaturer. Nu är ett team av forskare från USA, Tyskland och Japan förklarar i Natur hur den elektroniska strukturen i vriden dubbelskiktsgrafen påverkar uppkomsten av det isolerande tillståndet i dessa system, som är föregångaren till supraledning i material med hög Tc.

Att hitta ett material som är supraledande vid rumstemperatur skulle leda till en teknisk revolution, lindra energikrisen (eftersom numera mest energi går förlorad på vägen från generation till användning) och höja datorprestanda till en helt ny nivå. Dock, trots de framsteg som gjorts med att förstå dessa system, en fullständig teoretisk beskrivning är fortfarande svårfångad, lämnar vårt sökande efter rumstemperatur supraledning huvudsakligen serendipitöst.

I ett stort vetenskapligt genombrott 2018, vriden dubbelskiktsgrafen (TBLG) visades uppvisa faser av materia som liknar faserna i en viss klass av hög-Tc supraledande material - de så kallade high-Tc-kupraterna. Detta representerar ett nytt intåg via en mycket renare och mer kontrollerbar experimentuppställning.

Forskarna från Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD), Freie Universität Berlin (båda i Tyskland), Columbia University, Center for Computational Quantum Physics vid Flatiron Institute (båda i USA) och National Institute for Materials Science i Japan fokuserade på TBLG:s isolerande tillstånd.

Detta material består av två atomärt tunna lager av grafen, staplade i en mycket liten vinkel mot varandra. I denna struktur, det isolerande tillståndet föregår den hög-Tc supraledande fasen. Därav, en bättre förståelse för denna fas och vad som leder fram till den är avgörande för kontrollen av TBLG.

Forskarna använde scanning tunnelmikroskopi och spektroskopi (STM/STS) för att undersöka proverna. Med denna mikroskopiska teknik, elektriskt ledande ytor kan undersökas atom för atom. Genom att använda den banbrytande "riv och stapla"-metoden, de placerade två atomärt tunna lager av grafen ovanpå varandra och roterade dem något. Sedan, teamet kartlade direkt materialets strukturella och elektroniska egenskaper i atomskala nära den "magiska vinkeln" på cirka 1,1°.

Resultaten, som just har publicerats i Natur , kasta nytt ljus över de faktorer som påverkar uppkomsten av supraledning i TBLG. Teamet observerade att det isolerande tillståndet, som föregår det supraledande tillståndet, uppträder på en viss nivå för att fylla systemet med elektroner. Detta gör det möjligt för forskare att uppskatta styrkan och arten av interaktionerna mellan elektroner i dessa system - ett avgörande steg mot deras beskrivning.

Särskilt, resultaten visar att två distinkta van Hove-singulariteter (vHs) i den lokala tätheten av tillstånd verkar nära den magiska vinkeln som har en dopingberoende separation på 40-57 meV. Detta visar tydligt för första gången att vHs-separationen är betydligt större än man tidigare trott. Vidare, teamet visar tydligt att vHs delar sig i två toppar när systemet är dopat nära halva Moiré-bandet fyllning. Denna dopingberoende splittring förklaras av ett korrelationsinducerat gap, vilket betyder att i TBLG, elektroninducerad interaktion spelar en framträdande roll.

Teamet fann att förhållandet mellan Coulomb-interaktionen och bandbredden för varje enskild vHs är mer avgörande för den magiska vinkeln än vHs-separationen. Detta tyder på att det angränsande supraledande tillståndet drivs av en Cooper-liknande parningsmekanism baserad på elektron-elektron-interaktioner. Dessutom, STS-resultaten indikerar en viss nivå av elektronisk nematicitet (spontant brott av rotationssymmetrin hos det underliggande gittret), ungefär som det som observeras i cuprates nära det supraledande tillståndet.

Med denna forskning, teamet har tagit ett avgörande steg mot att demonstrera likvärdigheten mellan fysik av hög-Tc-kuprater och TBLG-material. De insikter som erhållits via TBLG i denna studie kommer således att främja förståelsen av högtemperatursupraledning i kuprater och leda till en bättre analys av de detaljerade funktionerna hos dessa fascinerande system.

Teamets arbete med arten av de supraledande och isolerande tillstånden som ses inom transporter kommer att tillåta forskare att jämföra teorier och förhoppningsvis i slutändan förstå TBLG som ett språngbräde mot en mer fullständig beskrivning av kupraterna med hög Tc. I framtiden, detta kommer att bana väg för ett mer systematiskt tillvägagångssätt för att öka supraledande temperaturer i dessa och liknande system.