Magic-angle twisted bilayer graphene (MATBG) är ett grafenbaserat material med en unik struktur, bestående av två grafenark skiktade ovanpå varandra med en snedställning på cirka 1,1°. Denna unika struktur har visat sig vara värd för olika intressanta tillstånd, inklusive korrelerade isolerande tillstånd och okonventionell supraledning.

Tidigare studier som undersökte MATBG avslöjade också uppkomsten av vad som är känt som en "konstig" metallregim i närheten av den supraledande kupolen, såväl som en avsevärt förbättrad elektron-fonon-koppling. Även om dessa observationer bekräftades av senare verk, är de exakta mekanismerna som ligger till grund för dem fortfarande oklara.

Forskare vid Barcelona Institute of Science and Technology, National Institute for Material Sciences och Massachusetts Institute of Technology (MIT) har nyligen tittat närmare på dessa egenskaper hos MATBG med hjälp av ett annat lågtemperaturfasdiagram än de som använts i tidigare arbeten . Deras artikel, publicerad i Nature Physics , samlat ny värdefull insikt om materialets kvantkritiska beteende.

"Tidiga rapporter om de elektriska transportegenskaperna hos vriden dubbelskiktsgrafen avslöjade två fascinerande egenskaper:uppkomsten av en så kallad "konstig" metallregim i närheten av den supraledande kupolen och en kraftigt förbättrad elektron-fonon-koppling," Alexandre Jaoui, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Ändå delar båda egenskaperna, under vissa förhållanden, en gemensam signatur:en linjär-i-temperaturresistivitet. En fråga som uppstod var:kan en enda mikroskopisk mekanism, elektroner som sprider sig från fononer, stå för båda tidigare observationer? Eller är denna signatur , i lågtemperaturområdet, vilket pekar på att det finns ytterligare spridningscentra som påverkar laddningsbärare?"

Svaren på dessa hittills svårfångade frågor kan endast hittas genom att undersöka MATBG vid låga temperaturer, där fononer (dvs kvasipartiklar associerade med vågor som ljud eller vibrationer) undertrycks. I MATBG-enheterna som rapporterats i tidigare litteratur var dock det metalliska grundtillståndet typiskt dolt av en rad fasövergångar.

"Vi föreslog att dra fördel av våra "skärmade" enheter, där de korrelerade isolatorerna är undertryckta, för att studera magisk vinkelgrafen med ett mycket enklare lågtemperaturfasdiagram:en enda supraledande kupol innesluten i en metallisk fas," förklarade Jaoui . "Detta gjorde att vi kunde fokusera på det senare tillståndet."

För att tillverka sin MATBG-struktur använde Jaoui och hans kollegor en "cut-and-stack"-metod som ofta används av forskarlag som undersöker 2D-heterostrukturer. För att kapsla in sin enhet använde de ett tunt lager av hexagonal bornitrid (hBN).

"Närheten av grafenskikten till den metalliska porten tillåter oss att undertrycka de lågtemperaturisolerande tillstånden och ger därmed ytterligare tillgång till det metalliska grundtillståndet," sa Jaoui. "Vi samlade sedan in mätningar med hjälp av konventionella kvanttransporttekniker (d.v.s. elektrisk likströmstransport)."

Mätningarna som samlats in av Jaoui och hans kollegor bekräftade förekomsten av samma "märkliga" metallbeteende som rapporterats i tidigare studier (d.v.s. en linjär-in-T-resistivitet med en Planckisk spridningshastighet). Teamets studie visar dock att detta beteende sträcker sig till temperaturer långt under Bloch-Grüneisen-temperaturen medan systemet har en ändlig Fermi-temperatur. Dessutom framhäver deras fynd ytterligare en signatur av märklig metallicitet, nämligen en förbättrad linjär magnetresistans.

"Den kanske mest intressanta delen av denna studie är dock återhämtningen av det arketypiska beteendet hos en oordnad utspädd och korrelerad metall, Fermi-vätskebeteendet, bort från den supraledande kupolen," sa Jaoui. "This evolution suggests that fluctuations of a yet-to-be-determined nature dominate the metallic ground state in the vicinity of the superconducting dome and drive the low-temperature linear resistivity."

Overall, the findings gathered by this team of researchers suggest that quantum fluctuations and superconductivity in MATBG might be related. In the future, their work could inspire new studies examining this possibility and the quantum-critical phase observed in this study further.

"We are now investigating the evolution of the metallic ground state as a function of the 'twist-angle' of twisted bilayer graphene," Jaoui added. "This is, in a very simplistic manner, a knob tuning the strength of the electronic correlations. We will soon publish further report on the metallic ground state of twisted bilayer graphene." + Utforska vidare

Guiding a superconducting future with graphene quantum magic

© 2022 Science X Network