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重磅!觀察到“魔角”扭曲雙層石墨烯中的超導性和類莫特絕緣態

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online_member 發表于 昨天 20:54 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
在材料科學和量子物理中稱為“魔角”扭曲雙層石墨烯(TBLG)中的莫爾條紋和平帶相關行為引起了科學家們的極大興趣,盡管許多性質面臨激烈的爭論。在《科學進展》上期刊發表的一項新研究中,埃米利奧·科萊多和在美國、日本物理學、材料科學系的科學家觀察到了扭曲雙層石墨烯中的超導性和類莫特(Mott)絕緣體狀態,扭轉角約為0.93度。這個角度比之前研究中計算的“魔角”角度(1.1°)小15%。這項研究顯示,扭曲雙層石墨烯的“魔角”范圍比之前預期的要大。
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這項研究為破譯扭曲雙層石墨烯中的強量子現象提供了豐富的新信息,用于量子物理中的應用。物理學家將“Twistronics”定義為相鄰范德瓦爾斯層之間的相對扭曲角,以產生石墨烯中的莫爾條紋和平帶。這一概念已經成為一種新的和獨特適合于顯著改變、定制基于二維材料的設備屬性,以實現電流流動的方法。“Twistronics”的顯著效果在研究人員開創性工作中得到了例證,證明了當兩個單層石墨烯層以θ=1.1±0.1°的“魔角”扭轉角度堆疊時,出現了非常平坦的帶。
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本研究中,在扭曲雙層石墨烯(TBLG)中,實驗觀察到超晶格第一個微帶(結構特征)在“魔角”處半填充時的絕緣相。研究小組確定這是一種莫特絕緣體(一種具有超導特性的絕緣體),在略高和低摻雜量下表現出超導電性。相圖顯示高溫超導體在超導轉變溫度(Tc)和費米溫度(Tf)之間。這項研究引發了關于石墨烯能帶結構、拓撲和附加“魔角”半導體系統的極大興趣和理論辯論,與最初的理論報道相比,實驗研究很少,而且才剛剛開始。在這項研究中,研究小組對展示相關絕緣態和超導態的“魔角”扭曲雙層石墨烯進行了傳輸測量。
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出人意料地0.93±0.01的扭曲角,這比已經建立的“魔角”小了15%,同時也是迄今為止報道的最小,并且顯示出超導特性。這些結果表明,新的關聯態可以出現在“魔角”扭曲雙層石墨烯中,低于初級“魔角”,超出石墨烯的第一個微帶。為了建造這些“魔角”扭曲雙層石墨烯設備,研究小組使用了“撕裂和堆疊”的方法。封裝了六邊形氮化硼(BN)層之間的結構;圖案化成霍爾棒幾何形狀,具有多根導線耦合到Cr/Au(鉻/金)邊緣觸點。并在用作背柵的石墨烯層的頂部制造了整個“魔角”扭曲雙層石墨烯器件。
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科學家們使用標準直流(DC)和交流(AC)鎖定技術在泵浦HE4和HE3低溫恒溫器中測量器件。研究團隊記錄了器件的縱向電阻(Rxx)與擴展柵極電壓(VG)范圍之間的關系,并計算了溫度為1.7K時的磁場B。觀察到小的電子-空穴不對稱是“魔角”扭曲雙層石墨烯器件的固有特性,正如之前報告所觀察到的那樣,研究小組記錄了這些結果,并詳細說明迄今報道表現出超導特性“魔角”扭曲雙層石墨烯器件的最小扭轉角值。關于Landau扇形圖的更仔細檢查,研究人員獲得了一些顯著的特征。
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例如,半填充時的峰值和Landau能級的兩倍簡并性與先前觀察到的類莫特相關絕緣態一致。該團隊顯示了近似自旋谷SU(4)對稱性的打破和一個新準粒子費米面的形成。然而,細節需要更細致的檢查。還觀察到超導的出現,這增加了Rxx(縱向電阻),類似于先前的研究。然后,研究小組檢查了超導相的臨界溫度(Tc),由于在這個樣品中超導的最佳摻雜沒有獲得數據,科學家們假設臨界溫度可以高達0.5K。然而,在能夠從超導狀態獲得清晰的數據之前,這些器件變得不起作用。為了進一步研究超導狀態,研究人員測量了器件在不同載流子密度下的四端電壓-電流(V-I)特性。
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獲得的電阻顯示,在更大的密度范圍內觀察到了超級電流,并顯示了在施加平行磁場時對超級電流的抑制。為了獲得對研究中觀察到的行為洞察,研究人員使用Bistritzer-MacDonald模型和改進的參數計算了“魔角”扭曲雙層石墨烯器件的莫爾能帶結構。與之前對“魔角”角度的計算相比,計算出的低能莫爾能帶與高能帶在能量上沒有隔離。雖然該器件的扭曲角比其他地方計算的“魔角”角度小,但該器件存在與先前研究強烈相關的現象(類莫特絕緣和超導),物理學家發現這是意想不到的,也是可取的。
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在進一步評估大密度下的行為(每種能量上可用狀態的數量)后,科學家觀察到的特征,歸功于新出現的相關絕緣狀態。在未來將對態密度(DOS)進行更細致的研究,以了解奇特的絕緣態,并確定它們是否可以歸類為量子自旋液體。通過這種方式,科學家們在一個小扭曲角度(0.93°)的扭曲雙層石墨烯器件中觀察到了類莫特絕緣態附近的超導電性。這項研究表明,即使在如此小的角度和高密度下,電子關聯對莫爾條紋性質的影響也是如此。未來將研究絕緣相的自旋谷序,并在較低溫度下研究尋找新的超導相,實驗研究將與理論努力相結合,以了解這種行為的起源。
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