Ligheder i de isolerende tilstande af snoet to -lags grafen og kopater

I de seneste årtier har enorme forskningsindsatser er blevet brugt på udforskning og forklaring af høj temperatur (høj-Tc) superledere, en klasse materialer, der udviser nulmodstand ved særlig høje temperaturer. Nu er et hold forskere fra USA, Tyskland og Japan forklarer i Natur hvordan den elektroniske struktur i snoet to -lags grafen påvirker fremkomsten af ​​den isolerende tilstand i disse systemer, som er forløberen til supraledelse i materialer med høj Tc.

At finde et materiale, som superledninger ved stuetemperatur ville føre til en teknologisk revolution, afhjælpe energikrisen (da der i dag går mest energi tabt på vejen fra generation til brug) og øge computerens ydeevne til et helt nyt niveau. Imidlertid, på trods af de fremskridt, der er gjort med at forstå disse systemer, en fuld teoretisk beskrivelse er stadig undvigende, forlader vores søgen efter stuetemperatur superledning hovedsageligt serendipitøs.

I et stort videnskabeligt gennembrud i 2018, snoede to-lags grafen (TBLG) viste sig at udvise faser af stof, der ligner dem i en bestemt klasse af høj-Tc superledende materialer-de såkaldte high-Tc-kuprater. Dette repræsenterer en ny introduktion via et meget renere og mere kontrollerbart eksperimentelt setup.

Forskerne fra Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD), Freie Universität Berlin (begge i Tyskland), Columbia University, Center for Computational Quantum Physics ved Flatiron Institute (begge i USA) og National Institute for Materials Science i Japan fokuserede på den isolerende tilstand af TBLG.

Dette materiale består af to atomtynde lag af grafen, stablet i en meget lille vinkel til hinanden. I denne struktur, isoleringstilstanden går forud for den høj-Tc superledende fase. Derfor, en bedre forståelse af denne fase, og hvad der fører op til den, er afgørende for kontrollen med TBLG.

Forskerne brugte scanning af tunnelmikroskopi og spektroskopi (STM/STS) til at undersøge prøverne. Med denne mikroskopiske teknik, elektrisk ledende overflader kan undersøges atom for atom. Ved hjælp af den banebrydende 'riv og stak' metode, de lagde to atomtynde lag af grafen oven på hinanden og roterede dem lidt. Derefter, teamet kortlagde direkte materialets strukturelle og elektroniske egenskaber i atomskala nær den 'magiske vinkel' på omkring 1,1 °.

Fundene, som netop er blevet offentliggjort i Natur , kaste nyt lys over de faktorer, der påvirker fremkomsten af ​​superledning i TBLG. Teamet observerede, at den isolerende tilstand, der går forud for den superledende tilstand, vises på et bestemt niveau for at fylde systemet med elektroner. Dette gør det muligt for forskere at estimere styrken og arten af ​​interaktionerne mellem elektroner i disse systemer - et afgørende skridt i retning af deres beskrivelse.

I særdeleshed, resultaterne viser, at to adskilte van Hove-singulariteter (vH'er) i den lokale tilstandstæthed fremstår tæt på den magiske vinkel, som har en dopingafhængig adskillelse på 40-57 meV. Dette viser klart for første gang, at vHs -adskillelsen er betydeligt større end tidligere antaget. Desuden, holdet viser tydeligt, at vH'erne deler sig i to toppe, når systemet er dopet nær halvdelen af ​​Moiré -båndfyldning. Denne dopingafhængige opdeling forklares med en korrelationsinduceret kløft, hvilket betyder, at i TBLG, elektroninduceret interaktion spiller en fremtrædende rolle.

Teamet fandt ud af, at forholdet mellem Coulomb -interaktionen og båndbredden for hver enkelt vHs er mere afgørende for den magiske vinkel end vHs -adskillelsen. Dette tyder på, at den tilstødende superledende tilstand drives af en Cooper-lignende parringsmekanisme baseret på elektron-elektron-interaktioner. Ud over, STS -resultaterne angiver et vist niveau af elektronisk nematicitet (spontan afbrydelse af rotationssymmetrien i det underliggende gitter), meget som det, der observeres i cuprates nær den superledende tilstand.

Med denne forskning, teamet har taget et afgørende skridt i retning af at demonstrere ækvivalensen mellem fysikken i high-Tc-kuprater og TBLG-materialer. Den indsigt, der er opnået via TBLG i denne undersøgelse, vil således fremme forståelsen af ​​høj temperatur superledning i cuprates og føre til en bedre analyse af det detaljerede arbejde i disse fascinerende systemer.

Teamets arbejde med arten af ​​de superledende og isolerende tilstande, der ses i transport, vil give forskere mulighed for at benchmark teorier og forhåbentlig i sidste ende forstå TBLG som et springbræt i retning af en mere fuldstændig beskrivelse af high-Tc-kuprater. I fremtiden, dette vil bane vejen mod en mere systematisk tilgang til stigende superledende temperaturer i disse og lignende systemer.