Inom materialvetenskap och kvantfysik, platta band och korrelerade beteenden inom den "magiska vinkeln" vridna tvålagersgrafen (tBLG) har väckt betydande intresse, även om många av dess egenskaper står inför intensiv debatt. I en ny rapport publicerad i Vetenskapliga framsteg , Emilio Codecido och kollegor vid avdelningarna för fysik och materialvetenskap i USA och Japan observerade både supraledning och ett Mott-liknande isolatortillstånd i en tBLG-enhet med en vridvinkel som är ungefär 0,93 grader. Denna vinkel var 15 procent mindre än den magiska vinkeln (∼ 1,1 °) i tidigare studier. Studien avslöjade att det "magiska" intervallet för tBLG är större än tidigare förväntat. Arbetet gav en mängd ny information för att dechiffrera de starka kvantfenomenen inom tBLG -enheter för tillämpningar inom kvantfysik.

Fysiker definierar 'Twistronics' som den relativa vridningsvinkeln mellan intilliggande van der Waals -lager för att producera ett moiré -supergitter och platta band i grafen. Konceptet har framkommit som ett nytt och unikt lämpligt tillvägagångssätt för att markant ändra och skräddarsy tvådimensionella materialbaserade enhetsegenskaper för att möjliggöra flödet av elektricitet. Den markanta effekten av Twistronics exemplifieras i banbrytande nyligen genomförda arbeten av forskare som visade uppkomsten av extremt platta band när två monoskikts grafenlager staplades i en magisk vridningsvinkel på 1.1 =1,1 ± 0,1 °.

I det nuvarande arbetet, Codecido et al. experimentellt observerat en förolämpande fas vid halvfyllning av supergitterets första miniband (strukturfunktion) i den vridna tvåskiktsgrafen (tBLG) -anordningen vid den magiska vinkeln. Forskargruppen identifierade att detta var en Mott -isolator (en isolator med supraledningsegenskaper) som uppvisade supraledning vid något högre och lägre dopning. Fasdiagrammet avslöjade högtemperatur supraledare mellan supraledningens övergångstemperatur (Tc) och Fermi-temperaturen (T _F ). Arbetet väckte ett stort intresse och teoretisk debatt om halvledarsystemet i förhållande till energibandstrukturen, topologi och ytterligare magiska vinklar av grafen. Jämfört med de första teoretiska rapporterna, experimentella studier är knappa och börjar bara dyka upp.

I den här studien, forskargruppen genomförde transportmätningar av en magisk vinkel tBLG -enhet som uppvisar korrelerade isolerande och supraledande tillstånd. De fick oväntat en vridningsvinkel vid 0,93 ± 0,01, som var 15 procent mindre än den magiska vinkeln som redan var etablerad, samtidigt som den är den minsta som hittills rapporterats och uppvisar supraledning. Dessa resultat indikerade att de nya korrelerade tillstånden kunde uppstå i tBLG -enheten under den primära magiska vinkeln och bortom den första minibanden av grafen.

För att bygga enheterna, forskargruppen använde metoden "riva och stapla". De inkapslade konstruktionen mellan sexkantiga bornitrid (BN) lager; mönstrad till en Hall -bargeometri med flera ledningar kopplade till Cr/Au (krom/guld) kantkontakter. De tillverkade hela enheten ovanpå ett grafenlager som fungerade som bakporten. Codecido et al. mätte enheterna i pumpade He ⁴ och han ³ kryostater med användning av standard likström (DC) och växelström (AC) inlåsningsteknik. Teamet registrerade enhetens längsgående motstånd (Rxx) mot ett utökat grindspänningsområde (Vg) och beräknade magnetfältet B vid en temperatur av 1,7 K. tidigare rapporter. Teamet noterade resultaten för att specificera det minsta vridningsvinkelvärdet som hittills rapporterats för tBLG -enheter som uppvisar supraledning.

Vid närmare granskning av Landau fläktdiagram, Codecido et al. fått ett antal framträdande egenskaper. Till exempel, toppen vid halv fyllning och den tvåfaldiga degenerationen av Landau-nivåer överensstämde med tidigare observationer av ett Mott-liknande korrelerat isoleringstillstånd. Teamet visade brytning av ungefärlig spin-valley SU (4) symmetri och bildandet av en ny kvasipartikel-Fermi-yta. Dock, detaljerna krävde mer känslig undersökning. De observerade också uppkomsten av supraledning, vilket ökade Rxx (längsgående motstånd), liknande föregående arbete.

Teamet undersökte sedan den kritiska temperaturen (Tc) för den superledande fasen. Eftersom data inte erhölls vid optimal dopning för supraledning i detta prov, forskarna antog att Tc kunde vara så hög som 0,5 K. Men enheten blev icke -funktionell innan de kunde få tydliga data från supraledande tillstånd. För att ytterligare undersöka det supraledande tillståndet, de mätte anordningens fyra-terminala spänningsström (V-I) vid olika bärartätheter. De erhöll resistensdisplayer och observerade överströmmen för ett utökat täthetsintervall och visade undertryckande av superström vid applicering av ett parallellt magnetfält. För att få insikt i beteendet som observerats i studien, Codecido et al. beräknade moirébandstrukturen för tBLG-enheten med hjälp av Bistritzer-MacDonald-modellen med förfinade parametrar.

I motsats till tidigare beräkningar av den magiska vinkeln, forskargruppen visade att de beräknade lågenergiska moiré Dirac-banden inte var lika energiskt isolerade från högenergibanden. Även om vridningsvinkeln på enheten var mindre än den magiska vinkeln beräknad någon annanstans, enheten var värd för fenomen (Mott-liknande isolering och supraledning) som starkt korrelerade med tidigare studier. Fysikerna fann att detta var både oväntat och önskvärt.

Vid ytterligare utvärdering av beteende vid stor densitet (antalet tillgängliga tillstånd vid varje energi) krediterade forskarna de observerade funktionerna till ett nyutvecklat korrelerat isoleringstillstånd. De föreslår ytterligare känsliga studier av tillståndens densitet (DOS) i framtiden för att förstå de exotiska isoleringstillstånden och avgöra om de kan klassificeras som kvantspinnvätskor eller inte.

På det här sättet, Emilio Codecido och kollegor observerade supraledning nära ett Mott-liknande isoleringstillstånd i en vriden dubbelskiktsenhet vid en liten vridningsvinkel (0,93 °). Arbetet visade påverkan av elektronkorrelationer på egenskaperna hos moiré superlattices även vid så små vinklar och höga densiteter. Framtida arbete kommer att undersöka spin-valley-ordningen av isoleringsfaserna och undersökningar vid lägre temperaturer i deras jakt på nya supraledande faser. De experimentella studierna kommer att kombineras med teoretiska ansträngningar för att förstå ursprunget till detta beteende.

© 2019 Science X Network