Illustration av ett moirémönster som framträder när två ark av tvåskiktsgrafen staplas och roteras. Korrelerade elektroniska tillstånd med magnetisk ordning uppstår i vriden dubbelskiktsgrafen över ett litet område av vridningsvinklar, och kan ställas in med grind och genom att applicera ett elektriskt fält. Kredit:He et al.
Under de senaste åren, ett växande antal forskare över hela världen har genomfört studier som undersöker egenskaperna och egenskaperna hos så kallade vdW-material (vridna van der Waals). Denna unika klass av material kan vara en idealisk plattform för att undersöka korrelerade faser som uppstår som ett resultat av starka interaktioner mellan elektroner.
Forskare vid University of Washington och National Institute for Materials Science i Japan har nyligen genomfört en studie som specifikt utforskar korrelerade isolerande tillstånd som kan förekomma i vridna vdW-heterostrukturer och som kan ställas in genom att ändra vridningsvinkeln och applicera ett externt elektriskt fält. I deras tidning, publiceras i Naturfysik , de presenterar elektriska transportmätningar av vriden dubbel-dubbellagers grafen, varifrån de kunde undersöka rollen av spontan symmetribrott i materialets fasdiagram.
Fysiker för kondenserad materia har vetat hur man isolerar enskiktsark av material som grafen i över 15 år med en scotch-tejp-exfolieringsprocedur. De vet nu också hur man plockar upp tunna atomplåtar individuellt och sätter dem ovanpå varandra. Om de roteras med en liten vridningsvinkel, ett geometriskt interferensmönster som kallas moirémönster framträder. Detta mönster kan kraftigt modifiera de elektroniska egenskaperna hos en sammansatt struktur.
"I vissa fall, moirémönstret kan resultera i spektakulära nya elektroniska tillstånd som drivs av starka interaktioner mellan elektronerna i materialet, "Matthew Yankowitz, biträdande professor i fysik och materialvetenskap och teknik vid University of Washington, vem som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Detta upptäcktes först 2018 av forskare vid MIT, som observerade supraledning och korrelerade isolerande tillstånd vid stapling av två enskiktsgrafenark vridna med 1,1° (dvs. magisk vinkel vriden dubbelskiktsgrafen). Dessa korrelerade tillstånd är särskilt spännande eftersom de finns i en stökiometriskt enkel struktur som helt består av kolatomer och kan ställas in dynamiskt med ett antal experimentella rattar som laddningsdopning, vridvinkel och tryck."
Liknande korrelerade tillstånd har också tidigare observerats i bulkkristaller, ändå i dessa material, de var mycket svårare att ställa in och teoretiskt modellera på grund av kristallernas komplexa strukturer. Att förstå dessa starkt korrelerade tillstånd förblir således en nyckelutmaning inom den kondenserade materiens fysik.
Målet med det senaste arbetet av Yankowitz och hans kollegor var att få insikt om hur dessa korrelerade tillstånd i vdW-heterostrukturer kan användas i forskning och teknisk utveckling. Strax efter att de först sågs i magisk vinkel vriden dubbelskiktsgrafen, forskarlag över hela världen insåg att dessa tillstånd också kan hittas i heterostrukturer som innehåller två tvinnade ark av tvåskiktsgrafen (dvs. fyra grafenlager totalt).
"I detta fall, de korrelerade tillstånden kan dessutom kontrolleras av ett elektriskt fält applicerat vinkelrätt mot grafenarken, " förklarade Yankowitz. "Men, den exakta naturen av dessa stater förblev något mystisk. Särskilt, det fanns egenskaper som liknade en exotisk form av supraledning, dock, det exakta ursprunget till dessa egenskaper var inte väl förstått. Den primära motivationen för vår studie var att ta itu med dessa frågor genom att studera vriden dubbel-dubbelskiktsgrafen med elektrisk avstämning."
Som en del av deras studie, Yankowitz och hans kollegor mätte elektrisk transport som en funktion av temperatur och magnetfält. När det finns ett litet magnetfält, tecknet på motstånd tvärs mot den pålagda strömmen, som är känt som Hallresistens, anger vilken typ av subatomära partiklar (dvs. elektroner eller "hål") är de primära laddningsbärarna inuti ett material.
Optisk mikroskopbild av en vriden dubbellagers grafenenhet. Kredit:He et al.
När korrelerade tillstånd spontant bryter en symmetri (d.v.s. antingen elektronspinn eller dalsymmetri) i vriden dubbel-dubbelskiktsgrafen vid låga temperaturer, materialets elektroniska struktur förändras snabbt, och dess primära laddningsbärare kan också ändras. Därför, Att samtidigt mäta materialets resistivitet och Hall-effekt kan ge värdefull insikt om de korrelerade tillstånden inom det.
"Genom att noggrant mäta resistiviteten och Hall-effekten av vriden dubbel-dubbellagers grafen som en funktion av temperaturen, vi fann att den abrupta resistiviteten sjunker, påminner om supraledning, var också associerade med en samtidig teckenförändring i dess Hall-motstånd, sa Xiaodong Xu, professor i fysik och materialvetenskap och teknik vid University of Washington. "Denna observation överensstämmer mer med början av magnetisk ordning på grund av spontan symmetribrott än med supraledning."
Intressant, resistivitetsfallet observerat av Yankowitz, Xu och deras kollegor i vriden dubbelskiktsgrafen genomgår den skarpaste förändringen som en funktion av temperaturen vid gränsen för de symmetribrytande tillstånden. Som en del av deras studie, forskarna undersökte också transport som en funktion av förspänningen orsakad av en pålagd elektrisk ström.
När de applicerade en ström på materialet, de observerade signaturer associerade med icke-linjär transport. Även om icke-linjär transport också observeras i supraledande tillstånd, de fann att det i deras prov troligen var ett resultat av Joule-uppvärmningsmekanismer.
"Vårt arbete ger en kritisk ny förståelse av tidigare mystiska egenskaper associerade med korrelerade tillstånd i vriden dubbel-dubbellagers grafen, ", sa Yankowitz. "Även om vi inte direkt kan utesluta supraledning, våra resultat tyder på att magnetism som drivs av spontant symmetribrott är en rimlig kandidat för det korrelerade metalliska tillståndet i vriden dubbelskiktsgrafen."
På senare år har supraledningsliknande egenskaper som liknar den som undersökts av detta team av forskare har observerats i en mängd olika moiré vdW-heterostrukturer. De nya rönen de presenterade kan hjälpa till att skilja dessa tillstånd från supraledningsförmågan som tidigare studier avslöjade i magisk vinkel vriden dubbelskiktsgrafen.
Dessutom, observationerna insamlade av Yankowitz, Xu och deras kollegor skulle kunna hjälpa till att bättre förstå karaktären av korrelerade tillstånd i moiré vdW heterostrukturer ur en teoretisk synvinkel, vilket hittills har visat sig vara mycket utmanande. Forskarna planerar att använda den insikt de fått för att utveckla mer direkta sonder för att förstå dessa tillstånd.
"Eftersom våra resultat tyder på att de korrelerade metalliska tillstånden är magnetiskt ordnade, vi skulle vilja observera direkta signaturer av denna magnetism med en kombination av elektrisk transport och optisk spektroskopi, " sade Yankowitz. "Vi undersöker också nya sätt att kontrollera dessa korrelerade tillstånd, till exempel genom att applicera högt tryck för att modifiera mellanskiktskopplingen och kristallstrukturen hos materialet. Till sist, teorin förutspår att detta material kan vara värd för topologiska tillstånd, som den kvantanomala Hall-effekten, så vi undersöker nu sätt att exponera och undersöka denna icke-triviala topologi."
© 2020 Science X Network
