Teamet finder Wigner-krystal - ikke Mott-isolator - i grafen med magisk vinkel

For nylig, et team af videnskabsmænd ledet af Pablo Jarillo-Herrero ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) skabte stor røre inden for fysik af kondenseret stof, da de viste, at to ark grafen snoede sig i bestemte vinkler - kaldet "magisk vinkel" grafen — Vis to nye faser af stof, der ikke er observeret i enkelte ark grafen. Grafen er et honeycomb-gitter af kulstofatomer - det er i det væsentlige et et-atom-tykt lag af grafit, mørket, flagende materiale i blyanter.

I to artikler offentliggjort online i marts 2018 og optrådt i 5. april, 2018-udgave af tidsskriftet Natur , holdet rapporterede, at det snoede dobbeltlagsgrafen (tBLG) udviser en ukonventionel superledende fase, beslægtet med, hvad der ses i højtemperatur-superledende cuprater. Denne fase opnås ved at dope (injicere elektroner i) en isolerende tilstand, som MIT-gruppen fortolkede som et eksempel på Mott-isolering. Et fælles hold af forskere ved UCSB og Columbia University har gengivet de bemærkelsesværdige MIT-resultater. Opdagelsen lover den endelige udvikling af superledere ved stuetemperatur og et væld af andre lige så banebrydende applikationer.

Forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign har for nylig vist, at den isolerende adfærd rapporteret af MIT-teamet er blevet forkert tilskrevet. Professor Philip Phillips, en kendt ekspert i Mott-isolatorers fysik, siger, at en omhyggelig gennemgang af MIT-eksperimentelle data af hans team afslørede, at den isolerende adfærd af "magic-angle" grafen ikke er Mott-isolering, men noget endnu mere dybtgående - en Wigner-krystal.

"Folk har ledt efter klare eksempler på Wigner-krystaller, siden Wigner først forudsagde dem i 1930'erne, " hævder Phillips. "Jeg synes, det her er endnu mere spændende, end hvis det var en Mott-isolator."

Hovedforfatter af U of I-studiet, kandidatstuderende Bikash Padhi, forklarer, "Når et ark grafen er snoet oven på et andet, moiré-mønstre opstår som følge af forskydningen i honeycomb-strukturen. Ved kunstigt at injicere elektroner i disse ark, MIT-gruppen opnåede nye faser af stof, som kan forstås ved at studere disse ekstra elektroner på lejet af dette moiré-mønster. Ved at øge elektrontætheden, MIT-gruppen observerede en isolerende tilstand, når 2 og 3 elektroner opholder sig i en moiré-enhedscelle. De argumenterede for, at denne adfærd er et eksempel på Mott-fysik."

Hvorfor kan det ikke være Mott-fysik?

Phillips forklarer, "Mott-isolatorer er en klasse af materialer, der bør være ledende, hvis elektroniske interaktioner ikke tages i betragtning, men når det er taget i betragtning, isolerer i stedet. Der er to primære grunde til, at vi har mistanke om, at tBLG ikke danner en Mott-isolator - den observerede metal-isolator-overgang tilbyder kun én karakteristisk energiskala, hvorimod konventionelle Mott-isolatorer beskrives med to skalaer. Næste, i MIT-rapporten, i modsætning til hvad man forventer af et Mott-system, der var ingen isolator, når der kun var 1 elektron pr. enhedscelle. Dette er grundlæggende inkonsekvent med Mottness."

Den medfølgende figur viser de krystallinske tilstande, der forklarer disse data.

Hvad er en Wigner-krystal?

For at forstå Wigner-krystaller, Padhi tilbyder denne analogi:"Forestil dig en gruppe mennesker hver inde i en stor kugle og løbe rundt i et lukket rum. Hvis denne kugle er lille, kan de bevæge sig frit, men efterhånden som den vokser sig større kan man kollidere hyppigere end før, og i sidste ende kan der være et punkt, hvor de alle sidder fast i deres positioner, da enhver lille bevægelse straks vil blive forhindret af den næste person. Det er dybest set, hvad en krystal er. Menneskene her er elektroner, og kuglen er et mål for deres frastødelse."

Phillips krediterer Padhi med at give impulsen til studiet.

Disse resultater blev præ-publiceret online i tidsskriftet Nano bogstaver i artiklen, "Dopet snoet dobbeltlagsgrafen nær magiske vinkler:Nærhed til Wigner-krystallisation ikke Mott-isolering, "den 5. september 2018, med den endelige officielle redaktion, der skal medtages i tidsskriftets oktoberudgave 2018.

Denne forskning blev finansieret af Center for Emergent Superconductivity, et Department of Energy-finansieret Energy Frontier Research Center, og af National Science Foundation. De fremlagte konklusioner er forskernes og ikke nødvendigvis finansieringsbureauernes.