Nyt fremskridt inden for superledere med twist i rhombohedral grafit

Et internationalt forskerhold ledet af University of Manchester har afsløret et nanomateriale, der afspejler den "magiske vinkel"-effekt, der oprindeligt blev fundet i en kompleks menneskeskabt struktur kendt som snoet dobbeltlagsgrafen - et nøgleområde i fysik i de seneste år.

Den nye forskning viser, at den specielle topologi af rhombohedral grafit effektivt giver et indbygget "twist" og derfor tilbyder et alternativt medium til at studere potentielt spilskiftende effekter som superledning. "Det er et interessant alternativ til meget populære undersøgelser af magisk vinkel grafen," sagde grafen-pioner professor Sir Andre Geim, medforfatter af undersøgelsen.

Holdet, ledet af Artem Mishchenko, Professor i Condensed Matter Physics ved University of Manchester offentliggjorde sine resultater i tidsskriftet Natur den 12. august 2020.

"Rhombohedral grafit kan hjælpe til bedre at forstå materialer, hvor stærke elektroniske korrelationer er vigtige - såsom tunge fermionforbindelser og højtemperatursuperledere", sagde professor Mishchenko.

Et tidligere skridt fremad inden for todimensionel materialeforskning var den mærkelige adfærd, at stable et ark grafen oven på hinanden og vride det til en 'magisk vinkel' ændrede dobbeltlagets egenskaber, gør det til en superleder.

Professor Mishchenko og hans kolleger har nu observeret fremkomsten af ​​stærke elektron-elektron-interaktioner i en svagt stabil rhombohedral form af grafit - den form, hvor grafenlag stables lidt anderledes sammenlignet med stabil sekskantet form.

Interaktioner i snoet dobbeltlagsgrafen er usædvanligt følsomme over for snoningsvinklen. Små afvigelser på omkring 0,1 grad fra den nøjagtige magiske vinkel undertrykker kraftigt interaktioner. Det er ekstremt vanskeligt at lave enheder med den nødvendige nøjagtighed og, især, finde tilstrækkeligt ensartede til at studere den involverede spændende fysik. De nyligt offentliggjorte fund om rhombohedral grafit har nu åbnet en alternativ vej til præcis fremstilling af superlederenheder.

grafit, et kulstofmateriale bestående af stablede grafenlag, har to stabile former:sekskantet og rhomboedral. Førstnævnte er mere stabil, og er derfor blevet grundigt undersøgt, mens sidstnævnte er mindre.

For bedre at forstå det nye resultat, det er vigtigt at huske, at grafenlagene er stablet på forskellige måder i disse to former for grafit. Sekskantet grafit (formen af ​​kulstof, der findes i blyantbly) er sammensat af grafenlag, der er ordnet stablet oven på hinanden. Den metastabile romboedriske form har en lidt anderledes stablingsrækkefølge, og denne lille forskel fører til en drastisk ændring i dets elektroniske spektrum.

Tidligere teoretiske undersøgelser har peget på eksistensen af ​​alle former for mange-kropsfysik i overfladetilstandene af romboedral grafit - inklusive højtemperatur magnetisk bestilling og superledning. Disse forudsigelser kunne ikke bekræftes, imidlertid, da elektrontransportmålinger på materialet helt manglede indtil nu.

Manchester-teamet har studeret sekskantede grafitfilm i flere år og har udviklet avancerede teknologier til at producere prøver af høj kvalitet. En af deres teknikker involverer indkapsling af filmene med en atomisk flad isolator, sekskantet bornitrid (hBN), som tjener til at bevare den høje elektroniske kvalitet i de resulterende hBN/hexagonal grafit/hBN heterostrukturer. I deres nye eksperimenter med romboedral grafit, forskerne ændrede deres teknologi for at bevare den skrøbelige stablingsrækkefølge for denne mindre stabile form for grafit.

Forskerne afbildede deres prøver, som indeholdt op til 50 lag grafen, ved hjælp af Raman-spektroskopi for at bekræfte, at stablingsrækkefølgen i materialet forblev intakt, og at det var af høj kvalitet. De målte derefter elektroniske transportegenskaber for deres prøver på traditionel måde - ved at registrere materialets modstand, da de ændrede temperaturen og styrken af ​​et magnetfelt, der blev påført det.

Energigabet kan også åbnes i overfladetilstande af romboedral grafit ved at anvende et elektrisk felt, forklarer professor Mishchenko:"Overfladetilstandsgabåbningen, som blev forudsagt teoretisk, er også en uafhængig bekræftelse af prøvernes romboedriske natur, da et sådant fænomen er forbudt i sekskantet grafit."

I romboedral grafit tyndere end 4nm, et båndgab er til stede, selv uden at der påføres et eksternt elektrisk felt. Forskerne siger, at de endnu er usikre på den nøjagtige karakter af denne spontane spalteåbning (som opstår ved "ladningsneutralitet" - det punkt, hvor tæthederne af elektroner og huller er afbalanceret), men de arbejder travlt med at besvare dette spørgsmål.

"Fra vores eksperimenter i kvante Hall-regimet, vi ser, at kløften er af kvantespind Hall-karakter, men vi ved ikke, om den spontane spalteåbning ved ladningsneutraliteten er af samme oprindelse, " tilføjer professor Mishchenko. "I vores tilfælde, denne spalteåbning blev ledsaget af hysteretisk opførsel af materialets modstand som funktion af påførte elektriske eller magnetiske felter. Denne hysterese (hvor modstandsændringen halter efter de anvendte felter) indebærer, at der er forskellige elektroniske gappede faser adskilt i domæner - og disse er typiske for stærkt korrelerede materialer."

Yderligere undersøgelser af rhombohedral grafit kunne kaste mere lys over oprindelsen af ​​mange-kropsfænomener i stærkt korrelerede materialer såsom tunge fermionforbindelser og højtemperatursuperledere, for blot at nævne to eksempler.