Fra konventionel til mærkelig metaladfærd i magisk vinkel snoet dobbeltlagsgrafen

Magic-angle twisted bilayer graphene (MATBG) er et grafenbaseret materiale med en unik struktur, bestående af to grafenplader lagt oven på hinanden med en forskydning på cirka 1,1°. Denne unikke struktur har vist sig at være vært for forskellige interessante tilstande, herunder korrelerede isolerende tilstande og ukonventionel superledning.

Tidligere undersøgelser, der undersøgte MATBG, afslørede også fremkomsten af, hvad der er kendt som et "mærkeligt" metalregime i nærheden af ​​den superledende kuppel, såvel som en betydeligt forbedret elektron-fonon-kobling. Selvom disse observationer blev bekræftet af senere værker, er de nøjagtige mekanismer, der understøtter dem, stadig uklare.

Forskere ved Barcelona Institute of Science and Technology, National Institute for Material Sciences og Massachusetts Institute of Technology (MIT) har for nylig set nærmere på disse egenskaber ved MATBG ved hjælp af et andet lavtemperatur-fasediagram end dem, der blev brugt i tidligere værker . Deres papir, udgivet i Nature Physics , samlet ny værdifuld indsigt om materialets kvantekritiske adfærd.

"Tidlige rapporter om de elektriske transportegenskaber af snoet dobbeltlagsgrafen afslørede to fascinerende træk:fremkomsten af ​​et såkaldt 'mærkeligt' metalregime i nærheden af ​​den superledende kuppel og en skarpt forbedret elektron-fonon-kobling," Alexandre Jaoui, en af forskerne, der har udført undersøgelsen, siger til Phys.org. "Alligevel deler begge funktioner, under visse betingelser, en fælles signatur:en lineær-i-temperatur-resistivitet. Et spørgsmål, der opstod, var:kan en enkelt mikroskopisk mekanisme, elektroner, der spreder sig fra fononer, stå for begge tidligere observationer? Eller er denne signatur , i lavtemperaturområdet, hvilket peger på eksistensen af ​​yderligere spredningscentre, der påvirker ladningsbærere?"

Svarene på disse hidtil uhåndgribelige spørgsmål kan kun findes ved at undersøge MATBG ved lave temperaturer, hvor fononer (dvs. kvasipartikler forbundet med bølger såsom lyd eller vibration) er undertrykt. I MATBG-enhederne rapporteret i tidligere litteratur var den metalliske grundtilstand dog typisk skjult af en række faseovergange.

"Vi foreslog at udnytte vores 'skærmede' enheder, hvor de korrelerede isolatorer er undertrykt, til at studere magisk vinkelgrafen med et meget enklere lavtemperatur-fasediagram:en enkelt superledende kuppel indesluttet i en metallisk fase," forklarede Jaoui . "Dette gav os mulighed for at fokusere på sidstnævnte tilstand."

For at fremstille deres MATBG-struktur brugte Jaoui og hans kolleger en 'cut-and-stack'-metode, der ofte bruges af forskerhold, der undersøger 2D-heterostrukturer. Til at indkapsle deres enhed brugte de et tyndt lag hexagonalt bornitrid (hBN).

"Nærheden af ​​grafenlagene til den metalliske port giver os mulighed for at undertrykke de lavtemperaturisolerende tilstande og giver dermed yderligere adgang til den metalliske grundtilstand," sagde Jaoui. "Vi indsamlede derefter målinger ved hjælp af konventionelle kvantetransportteknikker (dvs. DC elektrisk transport)."

Målingerne indsamlet af Jaoui og hans kolleger bekræftede forekomsten af ​​den samme 'mærkelige' metaladfærd rapporteret i tidligere undersøgelser (dvs. en lineær-i-T-resistivitet med en Planckisk spredningshastighed). Holdets undersøgelse viser dog, at denne adfærd strækker sig til temperaturer langt under Bloch-Grüneisen-temperaturen, mens systemet har en endelig Fermi-temperatur. Desuden fremhæver deres resultater en yderligere signatur af mærkelig metallicitet, nemlig en forbedret lineær magnetoresistens.

"Måske den mest interessante del af denne undersøgelse er dog genopretningen af ​​den arketypiske adfærd af et uordnet fortyndet og korreleret metal, Fermi-væskeadfærden, væk fra den superledende kuppel," sagde 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." + Udforsk yderligere

Guiding a superconducting future with graphene quantum magic

© 2022 Science X Network