Ett internationellt forskarlag under ledning av University of Manchester har avslöjat ett nanomaterial som speglar den "magiska vinkel"-effekten som ursprungligen hittades i en komplex konstgjord struktur känd som vriden dubbelskiktsgrafen - ett nyckelområde inom fysik under de senaste åren.

Den nya forskningen visar att den speciella topologin hos romboedrisk grafit effektivt ger en inbyggd "twist" och därför erbjuder ett alternativt medium för att studera potentiellt spelförändrande effekter som supraledning. "Det är ett intressant alternativ till mycket populära studier av magisk vinkelgrafen", sa grafenpionjären professor Sir Andre Geim, en medförfattare till studien.

Laget, ledd av Artem Mishchenko, Professor i kondenserad materiens fysik vid University of Manchester publicerade sina resultat i tidskriften Natur den 12 augusti 2020.

"Rhomboedral grafit kan hjälpa till att bättre förstå material där starka elektroniska korrelationer är viktiga - som tunga fermionföreningar och högtemperatursupraledare", sa professor Mishchenko.

Ett tidigare steg framåt i tvådimensionell materialforskning var det märkliga beteendet att stapling av ett ark grafen ovanpå varandra och vridning av det till en "magisk vinkel" förändrade dubbelskiktets egenskaper, förvandla den till en supraledare.

Professor Mishchenko och hans kollegor har nu observerat uppkomsten av starka elektron-elektron-interaktioner i en svagt stabil romboedrisk form av grafit - den form i vilken grafenskikt staplas något annorlunda jämfört med stabil hexagonal form.

Interaktioner i vriden dubbelskiktsgrafen är exceptionellt känsliga för vridningsvinkeln. Små avvikelser på cirka 0,1 grad från den exakta magiska vinkeln undertrycker starkt interaktioner. Det är extremt svårt att tillverka enheter med den noggrannhet som krävs och, framförallt, hitta tillräckligt enhetliga för att studera den spännande fysiken som är involverad. De nyligen publicerade fynden om romboedrisk grafit har nu öppnat en alternativ väg för att exakt tillverka supraledareenheter.

Grafit, ett kolmaterial som består av staplade grafenlager, har två stabila former:hexagonal och romboedrisk. Den förra är mer stabil, och har därför studerats ingående, medan det senare är mindre så.

För att bättre förstå det nya resultatet, det är viktigt att komma ihåg att grafenskikten är staplade på olika sätt i dessa två former av grafit. Hexagonal grafit (formen av kol som finns i blyertspenna) är sammansatt av grafenlager ordnade staplade ovanpå varandra. Den metastabila romboedriska formen har en något annorlunda staplingsordning, och denna lilla skillnad leder till en drastisk förändring i dess elektroniska spektrum.

Tidigare teoretiska studier har pekat på förekomsten av alla typer av många kroppsfysik i yttillstånden hos romboedrisk grafit – inklusive högtemperaturmagnetisk ordning och supraledning. Dessa förutsägelser kunde inte verifieras, dock, eftersom elektrontransportmätningar på materialet saknats helt fram till nu.

Manchester-teamet har studerat hexagonala grafitfilmer i flera år och har utvecklat avancerad teknik för att producera högkvalitativa prover. En av deras tekniker innebär att inkapsla filmerna med en atomärt platt isolator, hexagonal bornitrid (hBN), som tjänar till att bevara den höga elektroniska kvaliteten i de resulterande hBN/hexagonala grafit/hBN-heterostrukturerna. I sina nya experiment på romboedrisk grafit, forskarna modifierade sin teknologi för att bevara den ömtåliga staplingsordningen för denna mindre stabila form av grafit.

Forskarna avbildade sina prover, som innehöll upp till 50 lager grafen, med Raman-spektroskopi för att bekräfta att staplingsordningen i materialet förblev intakt och att det var av hög kvalitet. De mätte sedan elektroniska transportegenskaper hos sina prover på traditionellt sätt - genom att registrera materialets motstånd när de ändrade temperaturen och styrkan hos ett magnetfält som applicerades på det.

Energigapet kan också öppnas i yttillstånden av romboedrisk grafit genom att applicera ett elektriskt fält förklarar professor Mishchenko:"Yttillståndsgapöppningen, som förutspåddes teoretiskt, är också en oberoende bekräftelse på provernas romboedriska karaktär, eftersom ett sådant fenomen är förbjudet i hexagonal grafit."

I romboedrisk grafit tunnare än 4nm, ett bandgap finns även utan att ett externt elektriskt fält appliceras. Forskarna säger att de ännu är osäkra på den exakta karaktären av denna spontana gapöppning (som inträffar vid "laddningsneutralitet" - den punkt där tätheter av elektroner och hål är balanserade), men de är upptagna med att besvara denna fråga.

"Från våra experiment i quantum Hall-regimen, vi ser att gapet är av kvantspinn Hall-karaktär, men vi vet inte om det spontana gapet som öppnas vid laddningsneutralitet är av samma ursprung, " tillägger professor Mishchenko. "I vårt fall, denna spaltöppning åtföljdes av ett hysteretiskt beteende hos materialets motstånd som en funktion av pålagda elektriska eller magnetiska fält. Denna hysteres (där resistansförändringen släpar efter de applicerade fälten) innebär att det finns olika elektroniska gapade faser separerade i domäner - och dessa är typiska för starkt korrelerade material."

Ytterligare undersökning av romboedrisk grafit skulle kunna belysa ursprunget till många kroppsfenomen i starkt korrelerade material som tunga fermionföreningar och högtemperatursupraledare, för att bara nämna två exempel.