Forskning viser, at den magiske række af snoet dobbeltlagsgrafen er større end tidligere forventet

I materialevidenskab og kvantefysik, flade bånd og korreleret adfærd inden for den "magiske vinkel" snoet dobbeltlagsgrafen (tBLG) har vakt betydelig interesse, selvom mange af dens ejendomme står over for intens debat. I en ny rapport offentliggjort i Videnskabens fremskridt , Emilio Codecido og kolleger i afdelingerne for fysik og materialevidenskab i USA og Japan observerede både superledning og en Mott-lignende isolatortilstand i en tBLG-enhed med en vridningsvinkel på ca. 0,93 grader. Denne vinkel var 15 procent mindre end den magiske vinkel beregnet (~ 1,1°) i tidligere undersøgelser. Undersøgelsen viste, at det "magiske" område af tBLG var større end tidligere forventet. Arbejdet gav et væld af ny information til at tyde de stærke kvantefænomener inden for tBLG-enheder til applikationer i kvantefysik.

Fysikere definerer 'Twistronics' som den relative drejningsvinkel mellem tilstødende van der Waals-lag for at producere et moiré-supergitter og flade bånd i grafen. Konceptet er opstået som en ny og unikt egnet tilgang til markant at ændre og skræddersy todimensionelle materialebaserede enhedsegenskaber for at muliggøre strømmen af ​​elektricitet. Den markante effekt af Twistronics er eksemplificeret i banebrydende nyere arbejde af forskere, der demonstrerede fremkomsten af ​​ekstremt flade bånd, når to monolags grafenlag blev stablet i en magisk snoningsvinkel på θ =1,1 ± 0,1°.

I nærværende arbejde, Codecido et al. observerede eksperimentelt en fornærmende fase ved halv fyldning af supergitterets første minibånd (strukturelt træk) i den snoede dobbeltlagsgrafen (tBLG) enhed ved den magiske vinkel. Forskerholdet identificerede dette som en Mott-isolator (en isolator med egenskaber af superledning), der udviser superledning ved lidt højere og lavere doping. Fasediagrammet afslørede højtemperatur-superledere mellem superledningsovergangstemperaturen (Tc) og Fermi-temperaturen (T) _F ). Arbejdet vakte en enorm interesse og teoretisk debat om halvledersystemet i forhold til energibåndstrukturen, topologi og yderligere magiske vinkler af grafen. Sammenlignet med de indledende teoretiske rapporter, eksperimentelle undersøgelser er få og kun lige begyndt at dukke op.

I dette studie, forskerholdet udførte transportmålinger af en magisk vinkel tBLG-enhed, der udviser korrelerede isolerende og superledende tilstande. De opnåede uventet en snoningsvinkel på 0,93 ± 0,01, som var 15 procent mindre end den magiske vinkel, der allerede var etableret, samtidig med at den er den mindste rapporterede til dato og udviser superledning. Disse resultater indikerede, at de nye korrelerede tilstande kunne dukke op i tBLG-enheden under den primære magiske vinkel og ud over det første minibånd af grafen.

For at bygge enhederne, forskerholdet brugte "riv og stak"-tilgangen. De indkapslede konstruktionen mellem hexagonale bornitrid (BN) lag; mønstret i en Hall bar geometri med flere ledninger koblet til Cr/Au (krom/guld) kantkontakter. De fremstillede hele enheden oven på et grafenlag, der fungerede som bagporten. Codecido et al. målte apparaterne i pumpet He ⁴ og han ³ kryostater ved hjælp af standard jævnstrøm (DC) og vekselstrøm (AC) lock-in teknikker. Holdet registrerede enhedens langsgående modstand (Rxx) vs. et udvidet gatespændingsområde (Vg) og beregnede magnetfeltet B ved en temperatur på 1,7 K. De observerede, at den lille elektron-hul-asymmetri var iboende for tBLG-enheder som observeret i tidligere rapporter. Holdet noterede resultaterne for at detaljere den mindste vridningsvinkelværdi, der er rapporteret til dato for tBLG-enheder, der udviser superledning.

Ved nærmere undersøgelse af Landau fan diagrammet, Codecido et al. opnået en række markante træk. For eksempel, toppen ved halvfyldning og den dobbelte degeneration af Landau-niveauer var i overensstemmelse med tidligere observationer af en Mott-lignende korreleret isolerende tilstand. Holdet viste brud på omtrentlig spin-dal SU (4) symmetri og dannelsen af ​​en ny kvasipartikel Fermi overflade. Imidlertid, detaljerne krævede mere nænsom undersøgelse. De observerede også fremkomsten af ​​superledning, hvilket øgede Rxx (langsgående modstand), svarende til tidligere arbejde.

Holdet undersøgte derefter den kritiske temperatur (Tc) af den superledende fase. Da dataene ikke blev opnået ved optimal doping for superledning i denne prøve, forskerne antog, at Tc kunne være så høj som 0,5 K. enheden blev ikke-funktionel, før de kunne få klare data fra den superledende tilstand. For yderligere at undersøge den superledende tilstand, de målte de fire-terminale spændingsstrøm (V-I) karakteristika for enheden ved forskellige bærertætheder. De opnåede visninger af modstand og observerede superstrømmen for et udvidet tæthedsområde og viste undertrykkelse af superstrøm ved påføring af et parallelt magnetfelt. For at få indsigt i den adfærd, der er observeret i undersøgelsen, Codecido et al. beregnet moiré-båndstrukturen for tBLG-enheden ved hjælp af Bistritzer-MacDonald-modellen med raffinerede parametre.

I modsætning til tidligere beregninger af den magiske vinkel, forskerholdet viste, at de beregnede lavenergimoiré Dirac-bånd ikke var så energisk isolerede fra højenergibåndene. Selvom enhedens snoningsvinkel var mindre end den magiske vinkel beregnet andre steder, enheden var vært for fænomener (Mott-lignende isolering og superledning), der var stærkt korreleret med tidligere undersøgelser. Fysikerne fandt, at dette var både uventet og ønskeligt.

Ved yderligere evaluering af adfærd ved stor tæthed (antallet af tilgængelige tilstande ved hver energi) krediterede forskerne de observerede træk til en nyligt opstået korreleret isolerende tilstand. De foreslår yderligere delikate undersøgelser af tætheden af ​​tilstande (DOS) i fremtiden for at forstå de eksotiske isolerende tilstande og afgøre, om de kan klassificeres som kvantespinvæsker.

På denne måde Emilio Codecido og kolleger observerede superledning nær en Mott-lignende isolerende tilstand i en snoet dobbeltlagsenhed ved en lille snoningsvinkel (0,93°). Arbejdet viste indflydelsen af ​​elektronkorrelationer på egenskaberne af moiré-supergitter selv ved så små vinkler og høje tætheder. Fremtidigt arbejde vil undersøge spin-dal-ordenen af ​​de isolerende faser og undersøgelser ved lavere temperaturer i deres søgen efter nye superledende faser. De eksperimentelle undersøgelser vil blive kombineret med teoretiske bestræbelser på at forstå oprindelsen af ​​denne adfærd.

© 2019 Science X Network