Geometria del dispositivo e dati di trasporto magnetico. (A) Schema schematico della geometria del dispositivo. (B) Diagramma schematico del superreticolo moiré formato dagli strati di grafene attorcigliati. (C) Rxx rispetto al campo magnetico B e alla tensione di gate Vg che mostra un modello di ventola di Landau. L'asse superiore etichetta nm, il numero di cariche per cella del superreticolo. (D). Rxx(Vg) a diverse temperature. Riquadro:immagine ottica di un dispositivo tBLG con una barra di scala di 10 μm. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw9770
Nella scienza dei materiali e nella fisica quantistica, bande piatte e comportamenti correlati all'interno del grafene a doppio strato ritorto "angolo magico" (tBLG) ha suscitato un interesse significativo, anche se molte delle sue proprietà affrontano un intenso dibattito. In un nuovo rapporto pubblicato su Progressi scientifici , Emilio Codecido e colleghi dei dipartimenti di fisica e scienza dei materiali negli Stati Uniti e in Giappone hanno osservato sia la superconduttività che uno stato isolante simile a Mott in un dispositivo tBLG con un angolo di torsione di circa 0,93 gradi. Questo angolo era del 15% più piccolo dell'angolo magico calcolato (∼ 1,1°) in studi precedenti. Lo studio ha rivelato che la gamma "magica" di tBLG è più ampia di quanto previsto in precedenza. Il lavoro ha fornito una grande quantità di nuove informazioni per decifrare i forti fenomeni quantistici all'interno dei dispositivi tBLG per applicazioni nella fisica quantistica.
I fisici definiscono "Twistronics" come l'angolo di torsione relativo tra gli strati adiacenti di van der Waals per produrre un superreticolo moiré e bande piatte nel grafene. Il concetto è emerso come un approccio nuovo e particolarmente adatto per alterare e adattare notevolmente le proprietà dei dispositivi bidimensionali basate sui materiali per consentire il flusso di elettricità. L'effetto marcato di Twistronics è esemplificato nell'innovativo lavoro recente di ricercatori che hanno dimostrato l'emergere di bande estremamente piatte quando due strati di grafene monostrato sono stati impilati con un angolo di torsione magico di =1,1 ± 0,1°.
Nel presente lavoro, Codecido et al. osservato sperimentalmente una fase offensiva a metà riempimento della prima minibanda del superreticolo (caratteristica strutturale) nel dispositivo di grafene a doppio strato ritorto (tBLG) all'angolo magico. Il team di ricerca ha identificato che si tratta di un isolante Mott (un isolante con proprietà di superconduttività) che mostra la superconduttività a un drogaggio leggermente superiore e inferiore. Il diagramma di fase ha rivelato superconduttori ad alta temperatura tra la temperatura di transizione di superconduttività (Tc) e la temperatura di Fermi (T F ). Il lavoro ha suscitato un enorme interesse e un dibattito teorico sul sistema dei semiconduttori relativo alla struttura delle bande di energia, topologia e angoli magici aggiuntivi del grafene. Rispetto ai primi rapporti teorici, gli studi sperimentali sono scarsi e stanno appena cominciando ad emergere.
Dati dallo stato superconduttore. (A) rispetto alla temperatura quando la densità è sintonizzata sulla fase superconduttiva (Vg ~ 0,53 V o nm ~ 2,5). (B) Resistenza differenziale dV/dI rispetto alla corrente di polarizzazione e al gate nella fase superconduttiva alla temperatura di base (280 mK). La scala dei colori è in unità di kilohm. (C) Caratteristiche tensione-corrente a T =280 mK e Vg =0,50 V (blu) e 0,58 V (rosso), rispettivamente. (D) Curve VI a diversi campi magnetici paralleli. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw9770
In questo studio, il team di ricerca ha condotto misurazioni del trasporto di un dispositivo tBLG ad angolo magico che mostra stati isolanti e superconduttori correlati. Hanno inaspettatamente ottenuto un angolo di torsione a 0,93 ± 0,01, che era il 15% più piccolo dell'angolo magico già stabilito, pur essendo il più piccolo segnalato fino ad oggi e presentando superconduttività. Questi risultati hanno indicato che i nuovi stati correlati potrebbero emergere nel dispositivo tBLG al di sotto dell'angolo magico primario e oltre la prima minibanda di grafene.
Per costruire i dispositivi, il team di ricerca ha utilizzato l'approccio "strappa e impila". Hanno incapsulato il costrutto tra strati esagonali di nitruro di boro (BN); modellato in una geometria a barra Hall con più conduttori accoppiati a contatti del bordo Cr/Au (cromo/oro). Hanno fabbricato l'intero dispositivo sopra uno strato di grafene che fungeva da porta posteriore. Codecido et al. misurato i dispositivi in He . pompato 4 e lui 3 criostati che utilizzano tecniche di lock-in standard in corrente continua (DC) e corrente alternata (AC). Il team ha registrato la resistenza longitudinale del dispositivo (Rxx) rispetto a un intervallo di tensione di gate esteso (Vg) e ha calcolato il campo magnetico B a una temperatura di 1,7 K. Hanno osservato che la piccola asimmetria del buco elettronico è intrinseca ai dispositivi tBLG come osservato in rapporti precedenti. Il team ha preso nota dei risultati per dettagliare il valore dell'angolo di torsione più piccolo riportato fino ad oggi per i dispositivi tBLG che mostrano superconduttività.
Risposta di superconduttività al campo magnetico. Rxx (Vg, B) che illustra la scomparsa della superconduttività con campo magnetico perpendicolare. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw9770
Ad un esame più attento del diagramma del ventilatore di Landau, Codecido et al. ottenuto una serie di caratteristiche salienti. Ad esempio, il picco a metà riempimento e la doppia degenerazione dei livelli di Landau erano coerenti con precedenti osservazioni di uno stato isolante correlato simile a Mott. Il team ha mostrato la rottura della simmetria di SU (4) della valle di spin approssimata e la formazione di una nuova superficie di Fermi quasi-particellare. Però, i dettagli richiedevano un esame più delicato. Hanno anche osservato l'emergere della superconduttività, che ha aumentato la Rxx (resistenza longitudinale), simile al lavoro precedente.
Il team ha quindi studiato la temperatura critica (Tc) della fase superconduttiva. Poiché i dati non sono stati ottenuti al doping ottimale per la superconduttività in questo campione, gli scienziati presumevano che Tc potesse essere fino a 0,5 K. Tuttavia, il dispositivo è diventato non funzionante prima che potessero ottenere dati chiari dallo stato superconduttore. Per approfondire lo stato superconduttore, hanno misurato le caratteristiche tensione-corrente (V-I) a quattro terminali del dispositivo a diverse densità di portante. Hanno ottenuto dimostrazioni di resistenza e hanno osservato la supercorrente per un intervallo esteso di densità e hanno mostrato la soppressione della supercorrente sull'applicazione di un campo magnetico parallelo. Per ottenere informazioni sul comportamento osservato nello studio, Codecido et al. calcolato la struttura della banda moiré per il dispositivo tBLG utilizzando il modello Bistritzer-MacDonald con parametri raffinati.
Calcoli di strutture elettroniche a banda di 0,93° tBLG. (A) Dispersione energetica. (B) Densità di stati (DOS). Nell'ottenere il DOS dalla struttura a bande, 1 meV è stato utilizzato per l'intervallo di energia, ed è stata considerata la degenerazione della spin-valle. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw9770
In contrasto con i calcoli precedenti dell'angolo magico, il team di ricerca ha mostrato che le bande di Dirac moiré calcolate a bassa energia non erano isolate energeticamente dalle bande ad alta energia. Sebbene l'angolo di torsione del dispositivo fosse inferiore all'angolo magico calcolato altrove, il dispositivo ospitava fenomeni (isolamento Mott-like e superconduttività) che erano fortemente correlati con studi precedenti. I fisici hanno trovato questo sia inaspettato che desiderabile.
In un'ulteriore valutazione del comportamento a grande densità (il numero di stati disponibili a ciascuna energia) gli scienziati hanno attribuito le caratteristiche osservate a un nuovo stato isolante correlato emergente. Propongono ulteriori studi delicati sulla densità degli stati (DOS) in futuro per comprendere gli stati isolanti esotici e determinare se possono o meno essere classificati come liquidi con spin quantistico.
In questo modo, Emilio Codecido e colleghi hanno osservato la superconduttività vicino a uno stato isolante simile a Mott all'interno di un dispositivo a doppio strato ritorto con un piccolo angolo di torsione (0,93°). Il lavoro ha mostrato l'influenza delle correlazioni elettroniche sulle proprietà dei superreticoli moiré anche ad angoli così piccoli e ad alte densità. Il lavoro futuro studierà l'ordinamento spin-valle delle fasi isolanti e studi a temperature più basse nella loro ricerca di nuove fasi superconduttive. Gli studi sperimentali saranno abbinati a sforzi teorici per comprendere le origini di questo comportamento.
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