Föreslagna Wigner-kristaller för magisk vinkel dubbelskiktsgrafen. I figur A, kriteriet för att observera denna gitterstruktur är inte uppfyllt experimentellt, vilket resulterar i metallisk transport när en enda elektron upptar en moirécell. Figurerna B och C visar det isolerande tillståndet, förklarar den experimentella observationen när 2 eller 3 elektroner finns i en moirécell. Kredit:Philip Phillips, University of Illinois i Urbana-Champaign
Nyligen, ett team av vetenskapsmän ledda av Pablo Jarillo-Herrero vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) skapade en enorm uppståndelse inom området för kondenserad materiens fysik när de visade att två ark grafen vrids i specifika vinklar – kallat "magic-angle" grafen —visa två framväxande faser av materia som inte observeras i enstaka ark av grafen. Grafen är ett bikakenät av kolatomer - det är i huvudsak ett enatoms tjockt lager av grafit, mörkret, flagnande material i pennor.
I två artiklar som publicerades online i mars 2018 och som publicerades den 5 april, 2018 års nummer av tidskriften Natur , teamet rapporterade att det vridna dubbelskiktsgrafenet (tBLG) uppvisar en okonventionell supraledande fas, besläktad med vad som ses i högtemperatur supraledande kuprater. Denna fas erhålls genom att dopa (injicera elektroner i) ett isolerande tillstånd, vilket MIT-gruppen tolkade som ett exempel på Mott-isolering. Ett gemensamt team av forskare vid UCSB och Columbia University har återskapat de anmärkningsvärda MIT-resultaten. Upptäckten lovar den eventuella utvecklingen av rumstemperatursupraledare och en mängd andra lika banbrytande applikationer.
Forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign har nyligen visat att det isolerande beteendet som rapporterats av MIT-teamet har felaktigt tillskrivits. Professor Philip Phillips, en känd expert i fysiken hos Mott-isolatorer, säger en noggrann granskning av MIT experimentella data av hans team avslöjade att det isolerande beteendet hos "magic-angle" grafen inte är Mott-isolering, men något ännu djupare - en Wigner-kristall.
"Folk har letat efter tydliga exempel på Wigner-kristaller sedan Wigner först förutspådde dem på 1930-talet, ", hävdar Phillips. "Jag tycker att det här är ännu mer spännande än om det vore en Mott-isolator."
University of Illinois i Urbana-Champaign Professor i fysik Philip Phillips (till höger) och doktorand Bikash Padhi poserar i Institutet för kondenserad materiens fysik på Urbana campus. Kredit:Siv Schwink, University of Illinois i Urbana-Champaign
Huvudförfattare till U of I-studien, doktorand Bikash Padhi, förklarar, "När ett ark grafen vrids ovanpå ett annat, moirémönster uppstår som ett resultat av förskjutningen i bikakestrukturen. Genom att artificiellt injicera elektroner i dessa ark, MIT-gruppen erhöll nya faser av materia som kan förstås genom att studera dessa extra elektroner på bädden av detta moirémönster. Genom att öka elektrontätheten, MIT-gruppen observerade ett isolerande tillstånd när 2 och 3 elektroner finns i en moiréenhetscell. De hävdade att detta beteende är ett exempel på Mott-fysik."
Varför kan det inte vara Mott-fysik?
Phillips förklarar, "Mott-isolatorer är en klass av material som bör vara ledande om elektroniska interaktioner inte tas med i beräkningen, men när man väl tar hänsyn till det, isolerar istället. Det finns två primära skäl till varför vi misstänker att tBLG inte bildar en Mott-isolator - den observerade metall-isolatorövergången erbjuder bara en karakteristisk energiskala, medan konventionella Mott-isolatorer beskrivs med två skalor. Nästa, i MIT-rapporten, i motsats till vad man förväntar sig för ett Mott-system, det fanns ingen isolator när det bara fanns 1 elektron per enhetscell. Detta är i grunden oförenligt med Mottness."
Den bifogade figuren visar de kristallina tillstånden som förklarar dessa data.
Zorbing, rullar och studsar i en uppblåst genomskinlig boll, har blivit populärt runt om i världen. Bikash Pahdi, en doktorand vid University of Illinois i Urbana-Champaign i teoretisk fysik för kondenserad materia, jämför Wigner-kristallisation med svällande zorber i ett slutet fält, där zorbpassagerarna är elektroner och zorben i sig är ett mått på varje elektrons avstötning mot andra elektroner. Kredit:Användarnamn:Rodw/Wikimedia Commons/Public Domain
Vad är en Wigner-kristall?
För att förstå Wigner-kristaller, Padhi erbjuder denna liknelse:"Föreställ dig en grupp människor var och en inuti en stor klot och springer runt i ett slutet rum. Om denna klot är liten kan de röra sig fritt men när den växer sig större kan man kollidera oftare än tidigare och så småningom kan det uppstå en punkt när alla sitter fast i sina positioner eftersom alla små rörelser omedelbart kommer att förhindras av nästa person. Det här är i princip vad en kristall är. Människorna här är elektroner, och klotet är ett mått på deras avstötning."
Phillips tillskriver Padhi att han gav impulsen till studien.
Dessa resultat förpublicerades online i tidskriften Nanobokstäver i artikeln, "Dopad Twisted Dubbelskiktsgrafen nära Magic Angles:Proximity to Wigner Crystallization not Mott Insulation, "den 5 september 2018, med den slutliga officiella redaktionen som ska ingå i tidskriftens oktobernummer 2018.
Denna forskning finansierades av Center for Emergent Superconductivity, en avdelning för energifinansierat Energy Frontier Research Center, och av National Science Foundation. De slutsatser som presenteras är forskarnas och inte nödvändigtvis finansiärernas.
