Двухслойный графен, скрученный под магическим углом, показывает уникальные свойства
Двухслойный графен, скрученный под магическим углом (MATBG) — это материал на основе графена с уникальной структурой, состоящий из двух листов графена, наложенных друг на друга с отклонением примерно в 1,1°. Было обнаружено, что эта уникальная структура содержит различные интересные состояния, включая коррелированные изолирующие состояния и нетрадиционную сверхпроводимость.
Оптическое изображение устройства, созданное исследователями. Предоставлено: Jaoui et al.
Прошлые исследования по изучению MATBG также выявили появление так называемого «странного» металлического режима вблизи сверхпроводящего купола, а также значительно усиленную электрон-фононную связь . Хотя эти наблюдения были подтверждены более поздними работами, точные механизмы, лежащие в их основе, остаются неясными.
Исследователи из Барселонского института науки и технологии, Национального института материаловедения и Массачусетского технологического института (MIT) недавно внимательно изучили эти свойства MATBG, используя другую низкотемпературную фазовую диаграмму, чем те, которые использовались в предыдущих работах. В их статье, опубликованной в журнале Nature Physics, собрана новая ценная информация о квантовом критическом поведении материала.
«Ранние сообщения об электрических транспортных свойствах скрученного двухслойного графена выявили две удивительные особенности: появление так называемого «странного» металлического режима вблизи сверхпроводящего купола и резкое усиление электронно-фононного взаимодействия », — Александр Жауи, один из исследователей, проводивших исследование, рассказали Phys.org. «Тем не менее, обе характеристики при определенных условиях имеют общую характеристику: удельное сопротивление, линейное по температуре. Возник один вопрос: может ли один микроскопический механизм, рассеяние электронов на фононах, объяснить оба предыдущих наблюдения? Или это характеристика?, в области низких температур, что указывает на существование дополнительных центров рассеяния, влияющих на носители заряда?»
Схематическая фазовая диаграмма металлического основного состояния графена с магическим углом, легированного дырками, с одним сверхпроводящим куполом. Предоставлено: Jaoui et al.
Ответы на эти до сих пор неуловимые вопросы можно найти, только исследуя MATBG при низких температурах, когда фононы (т. е. квазичастицы, связанные с волнами, такими как звук или вибрация) подавляются. Однако в устройствах MATBG, о которых сообщалось в предыдущей литературе, основное металлическое состояние обычно было скрыто набором фазовых переходов.
«Мы предложили воспользоваться нашими «экранированными» устройствами , в которых коррелированные изоляторы подавлены, для изучения графена под магическим углом с гораздо более простой низкотемпературной фазовой диаграммой: одиночный сверхпроводящий купол, заключенный в металлическую фазу», — объяснил Жауи. . «Это позволило нам сосредоточиться на последнем состоянии».
Чтобы изготовить свою структуру MATBG, Джауи и его коллеги использовали метод «вырезать и сложить», часто используемый исследовательскими группами, изучающими двумерные гетероструктуры. Чтобы инкапсулировать свое устройство, они использовали тонкий слой гексагонального нитрида бора (hBN).
«Близость слоев графена к металлическому затвору позволяет нам подавить низкотемпературные изолирующие состояния и, таким образом, дает дополнительный доступ к металлическому основному состоянию», — сказал Джауи. «Затем мы собрали измерения, используя обычные методы квантового транспорта (например, электрический транспорт постоянного тока)».
Исследовательская группа, проводившая исследование. Слева направо: Ипсита Дас, Александр Жауи, Хайме Диес-Мерида, Джорджио ди Баттиста, Дмитрий К. Ефетов.
Измерения, проведенные Жауи и его коллегами, подтвердили наличие того же «странного» поведения металла, о котором сообщалось в предыдущих исследованиях (т. е. линейное по Тл сопротивление с планковской скоростью рассеяния). Однако исследование группы показывает, что это поведение распространяется на температуры намного ниже температуры Блоха-Грюнайзена, в то время как система имеет конечную температуру Ферми. Более того, их результаты подчеркивают дополнительный признак странной металличности, а именно повышенное линейное магнитосопротивление.
«Возможно, наиболее интересной частью этого исследования является восстановление архетипического поведения неупорядоченного разбавленного и коррелированного металла, поведения ферми-жидкости, вдали от сверхпроводящего купола», — сказал Джауи. «Эта эволюция предполагает, что флуктуации, природа которых еще не определена, доминируют в основном металлическом состоянии вблизи сверхпроводящего купола и управляют низкотемпературным линейным сопротивлением».
В целом, результаты, полученные этой группой исследователей, предполагают, что квантовые флуктуации и сверхпроводимость в MATBG могут быть связаны. В будущем их работа может вдохновить на новые исследования, изучающие эту возможность и квантово-критическую фазу, наблюдаемую в этом исследовании.
«Сейчас мы исследуем эволюцию основного металлического состояния в зависимости от угла поворота скрученного двухслойного графена», — добавил Жауи. «В очень упрощенном виде это ручка, настраивающая силу электронных корреляций. Вскоре мы опубликуем дополнительный отчет об основном металлическом состоянии скрученного двухслойного графена».
