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石墨烯超导性越发诱人!最新发现:石墨烯中“魔角”范围比预期大
2019-09-06 16:53  点击:123429

在材料科学和量子物理中称为“魔角”扭曲双层石墨烯(TBLG)中的莫尔条纹和平带相关行为引起了科学家们的极大兴趣,尽管许多性质面临激烈的争论。在《科学进展》上期刊发表的一项新研究中,埃米利奥·科莱多和在美国、日本物理学、材料科学系的科学家观察到了扭曲双层石墨烯中的超导性和类莫特(Mott)绝缘体状态,扭转角约为0.93度。这个角度比之前研究中计算的“魔角”角度(1.1°)小15%。这项研究显示,扭曲双层石墨烯的“魔角”范围比之前预期的要大。

这项研究为破译扭曲双层石墨烯中的强量子现象提供了丰富的新信息,用于量子物理中的应用。物理学家将“Twistronics”定义为相邻范德瓦尔斯层之间的相对扭曲角,以产生石墨烯中的莫尔条纹和平带。这一概念已经成为一种新的和独特适合于显着改变、定制基于二维材料的设备属性,以实现电流流动的方法。“Twistronics”的显著效果在研究人员开创性工作中得到了例证,证明了当两个单层石墨烯层以θ=1.1±0.1°的“魔角”扭转角度堆叠时,出现了非常平坦的带。

本研究中,在扭曲双层石墨烯(TBLG)中,实验观察到超晶格第一个微带(结构特征)在“魔角”处半填充时的绝缘相。研究小组确定这是一种莫特绝缘体(一种具有超导特性的绝缘体),在略高和低掺杂量下表现出超导电性。相图显示高温超导体在超导转变温度(Tc)和费米温度(Tf)之间。这项研究引发了关于石墨烯能带结构、拓扑和附加“魔角”半导体系统的极大兴趣和理论辩论,与最初的理论报道相比,实验研究很少,而且才刚刚开始。在这项研究中,研究小组对展示相关绝缘态和超导态的“魔角”扭曲双层石墨烯进行了传输测量。

出人意料地0.93±0.01的扭曲角,这比已经建立的“魔角”小了15%,同时也是迄今为止报道的最小,并且显示出超导特性。这些结果表明,新的关联态可以出现在“魔角”扭曲双层石墨烯中,低于初级“魔角”,超出石墨烯的第一个微带。为了建造这些“魔角”扭曲双层石墨烯设备,研究小组使用了“撕裂和堆叠”的方法。封装了六边形氮化硼(BN)层之间的结构;图案化成霍尔棒几何形状,具有多根导线耦合到Cr/Au(铬/金)边缘触点。并在用作背栅的石墨烯层的顶部制造了整个“魔角”扭曲双层石墨烯器件。

科学家们使用标准直流(DC)和交流(AC)锁定技术在泵浦HE4和HE3低温恒温器中测量器件。研究团队记录了器件的纵向电阻(Rxx)与扩展栅极电压(VG)范围之间的关系,并计算了温度为1.7K时的磁场B。观察到小的电子-空穴不对称是“魔角”扭曲双层石墨烯器件的固有特性,正如之前报告所观察到的那样,研究小组记录了这些结果,并详细说明迄今报道表现出超导特性“魔角”扭曲双层石墨烯器件的最小扭转角值。关于Landau扇形图的更仔细检查,研究人员获得了一些显著的特征。

例如,半填充时的峰值和Landau能级的两倍简并性与先前观察到的类莫特相关绝缘态一致。该团队显示了近似自旋谷SU(4)对称性的打破和一个新准粒子费米面的形成。然而,细节需要更细致的检查。还观察到超导的出现,这增加了Rxx(纵向电阻),类似于先前的研究。然后,研究小组检查了超导相的临界温度(Tc),由于在这个样品中超导的最佳掺杂没有获得数据,科学家们假设临界温度可以高达0.5K。然而,在能够从超导状态获得清晰的数据之前,这些器件变得不起作用。为了进一步研究超导状态,研究人员测量了器件在不同载流子密度下的四端电压-电流(V-I)特性。

获得的电阻显示,在更大的密度范围内观察到了超级电流,并显示了在施加平行磁场时对超级电流的抑制。为了获得对研究中观察到的行为洞察,研究人员使用Bistritzer-MacDonald模型和改进的参数计算了“魔角”扭曲双层石墨烯器件的莫尔能带结构。与之前对“魔角”角度的计算相比,计算出的低能莫尔能带与高能带在能量上没有隔离。虽然该器件的扭曲角比其他地方计算的“魔角”角度小,但该器件存在与先前研究强烈相关的现象(类莫特绝缘和超导),物理学家发现这是意想不到的,也是可取的。

在进一步评估大密度下的行为(每种能量上可用状态的数量)后,科学家观察到的特征,归功于新出现的相关绝缘状态。在未来将对态密度(DOS)进行更细致的研究,以了解奇特的绝缘态,并确定它们是否可以归类为量子自旋液体。通过这种方式,科学家们在一个小扭曲角度(0.93°)的扭曲双层石墨烯器件中观察到了类莫特绝缘态附近的超导电性。这项研究表明,即使在如此小的角度和高密度下,电子关联对莫尔条纹性质的影响也是如此。未来将研究绝缘相的自旋谷序,并在较低温度下研究寻找新的超导相,实验研究将与理论努力相结合,以了解这种行为的起源。

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