Un'immagine ottica del dispositivo creata dai ricercatori. Credito:Jaoui et al.
Il grafene a doppio strato ad angolo magico (MATBG) è un materiale a base di grafene con una struttura unica, costituita da due fogli di grafene sovrapposti l'uno sull'altro con un disallineamento di circa 1,1°. È stato scoperto che questa struttura unica ospita vari stati interessanti, inclusi stati isolanti correlati e superconduttività non convenzionale.
Studi precedenti che hanno esaminato MATBG hanno anche svelato l'emergere di quello che è noto come un regime metallico "strano" in prossimità della cupola superconduttrice, nonché un accoppiamento elettrone-fonone significativamente migliorato. Sebbene queste osservazioni siano state confermate da lavori successivi, i meccanismi esatti alla base di esse rimangono poco chiari.
I ricercatori dell'Istituto di scienza e tecnologia di Barcellona, dell'Istituto nazionale per le scienze dei materiali e del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno recentemente esaminato più da vicino queste proprietà del MATBG utilizzando un diagramma di fase a bassa temperatura diverso rispetto a quelli utilizzati nei lavori precedenti . Il loro articolo, pubblicato su Nature Physics , ha raccolto nuove preziose informazioni sul comportamento critico quantistico del materiale.
"I primi rapporti sulle proprietà di trasporto elettrico del grafene a doppio strato contorto hanno rivelato due caratteristiche affascinanti:l'emergere di un cosiddetto regime metallico" strano "in prossimità della cupola superconduttrice e un accoppiamento elettrone-fonone nettamente migliorato", Alexandre Jaoui, uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Tuttavia, entrambe le caratteristiche condividono, in determinate condizioni, una firma comune:una resistività lineare in temperatura. Una domanda che è sorta è stata:un singolo meccanismo microscopico, gli elettroni che si disperdono dai fononi, possono spiegare entrambe le osservazioni precedenti? O è questa firma , nella regione a bassa temperatura, indicando l'esistenza di ulteriori centri di diffusione che interessano i portatori di carica?"
Un diagramma di fase schematico dello stato fondamentale metallico del grafene ad angolo magico drogato con un foro con una singola cupola superconduttrice. Credito:Jaoui et al.
Le risposte a queste domande finora sfuggenti possono essere trovate solo esaminando MATBG a basse temperature, dove i fononi (cioè le quasiparticelle associate a onde come il suono o la vibrazione) vengono soppressi. Nei dispositivi MATBG riportati nella letteratura precedente, tuttavia, lo stato fondamentale metallico era tipicamente nascosto da una serie di transizioni di fase.
"Abbiamo proposto di sfruttare i nostri dispositivi 'schermati', in cui gli isolanti correlati sono soppressi, per studiare il grafene ad angolo magico con un diagramma di fase a bassa temperatura molto più semplice:una singola cupola superconduttrice racchiusa in una fase metallica", ha spiegato Jaoui . "Questo ci ha permesso di concentrarci su quest'ultimo stato."
Per fabbricare la loro struttura MATBG, Jaoui e i suoi colleghi hanno utilizzato un metodo "taglia e impila" spesso utilizzato dai team di ricerca che esaminano le eterostrutture 2D. Per incapsulare il loro dispositivo hanno utilizzato un sottile strato di nitruro di boro esagonale (hBN).
"La vicinanza degli strati di grafene al cancello metallico ci consente di sopprimere gli stati isolanti a bassa temperatura e quindi garantisce un ulteriore accesso allo stato fondamentale metallico", ha affermato Jaoui. "Abbiamo quindi raccolto misurazioni utilizzando le tecniche di trasporto quantistico convenzionali (ad esempio, il trasporto elettrico CC)."
Il gruppo di ricerca che ha condotto lo studio. Da sinistra a destra:Ipsita Das, Alexandre Jaoui, Jaime Díez-Mérida, Giorgio di Battista, Dmitri K. Efetov
Le misurazioni raccolte da Jaoui e dai suoi colleghi hanno confermato il verificarsi dello stesso comportamento "strano" del metallo riportato in studi precedenti (cioè una resistività lineare in T con un tasso di diffusione di Planck). Tuttavia, lo studio del team mostra che questo comportamento si estende a temperature molto al di sotto della temperatura di Bloch-Grüneisen mentre il sistema ha una temperatura di Fermi finita. Inoltre, i loro risultati evidenziano un'ulteriore firma di strana metallicità, vale a dire una maggiore magnetoresistenza lineare.
"Forse la parte più interessante di questo studio, tuttavia, è il recupero del comportamento archetipico di un metallo diluito e correlato disordinato, il comportamento liquido di Fermi, lontano dalla cupola superconduttrice", ha detto 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." + Esplora ulteriormente
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