Geometria do dispositivo e dados de transporte magnético. (A) Diagrama esquemático da geometria do dispositivo. (B) Diagrama esquemático da superrede moiré formada pelas camadas torcidas de grafeno. (C) Rxx versus campo magnético B e tensão de porta Vg mostrando um padrão de ventilador Landau. Os rótulos do eixo superior nm, o número de cargas por célula de superrede. (D). Rxx (Vg) em diferentes temperaturas. Detalhe:imagem ótica de um dispositivo tBLG com uma barra de escala de 10 μm. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw9770
Na ciência dos materiais e na física quântica, bandas planas e comportamentos correlacionados dentro do grafeno de bicamada torcida de "ângulo mágico" (tBLG) despertou um interesse significativo, embora muitas de suas propriedades enfrentem intenso debate. Em um novo relatório publicado em Avanços da Ciência , Emilio Codecido e colegas dos departamentos de física e ciência dos materiais nos EUA e no Japão observaram a supercondutividade e um estado isolante do tipo Mott em um dispositivo tBLG com um ângulo de torção de aproximadamente 0,93 graus. Este ângulo era 15 por cento menor do que o ângulo mágico calculado (∼ 1,1 °) em estudos anteriores. O estudo revelou que o intervalo "mágico" de tBLG é maior do que o esperado. O trabalho forneceu uma grande quantidade de novas informações para decifrar os fenômenos quânticos fortes dentro de dispositivos tBLG para aplicações em física quântica.
Os físicos definem 'Twistronics' como o ângulo de torção relativo entre as camadas adjacentes de van der Waals para produzir uma superrede moiré e bandas planas de grafeno. O conceito surgiu como uma abordagem nova e exclusivamente adequada para alterar marcadamente e adaptar propriedades de dispositivos baseados em materiais bidimensionais para permitir o fluxo de eletricidade. O efeito marcante do Twistronics é exemplificado em um trabalho inovador recente de pesquisadores que demonstraram o surgimento de bandas extremamente planas quando duas camadas de grafeno monocamada foram empilhadas em um ângulo de torção mágico de θ =1,1 ± 0,1 °.
No presente trabalho, Codecido et al. observou experimentalmente uma fase insultuosa na metade do preenchimento da primeira minibanda da superrede (recurso estrutural) no dispositivo de grafeno de dupla camada torcida (tBLG) no ângulo mágico. A equipe de pesquisa identificou que este é um isolador Mott (um isolante com propriedades de supercondutividade) exibindo supercondutividade com dopagem ligeiramente mais alta e mais baixa. O diagrama de fase revelou supercondutores de alta temperatura entre a temperatura de transição de supercondutividade (Tc) e a temperatura de Fermi (T F ) O trabalho despertou um enorme interesse e debate teórico sobre o sistema semicondutor em relação à estrutura de banda de energia, topologia e ângulos mágicos adicionais de grafeno. Em comparação com os relatórios teóricos iniciais, estudos experimentais são escassos e estão apenas começando a surgir.
Dados do estado supercondutor. (A) ρ versus temperatura quando a densidade é sintonizada com a fase supercondutora (Vg ~ 0,53 V ou nm ~ 2,5). (B) Resistência diferencial dV / dI versus corrente de polarização e porta na fase supercondutora na temperatura de base (280 mK). A escala de cores está em unidades de quilohms. (C) Características de tensão-corrente em T =280 mK e Vg =0,50 V (azul) e 0,58 V (vermelho), respectivamente. (D) Curvas V-I em diferentes campos magnéticos paralelos. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw9770
Neste estudo, a equipe de pesquisa conduziu medições de transporte de um dispositivo de ângulo mágico tBLG exibindo estados de isolamento e supercondutores correlacionados. Eles obtiveram inesperadamente um ângulo de torção de 0,93 ± 0,01, que era 15 por cento menor do que o ângulo mágico já estabelecido, embora seja o menor relatado até o momento e exibindo supercondutividade. Esses resultados indicaram que os novos estados correlacionados poderiam emergir no dispositivo tBLG abaixo do ângulo mágico primário e além da primeira minibanda de grafeno.
Para construir os dispositivos, a equipe de pesquisa usou a abordagem "separar e empilhar". Eles encapsularam a construção entre camadas hexagonais de nitreto de boro (BN); padronizado em uma geometria de barra Hall com vários terminais acoplados a contatos de borda Cr / Au (cromo / ouro). Eles fabricaram o dispositivo inteiro em cima de uma camada de grafeno que servia como portão dos fundos. Codecido et al. mediu os dispositivos em bombeado He 4 e ele 3 criostatos usando técnicas padrão de bloqueio de corrente contínua (CC) e corrente alternada (CA). A equipe registrou a resistência longitudinal do dispositivo (Rxx) vs. uma faixa de tensão de porta estendida (Vg) e calculou o campo magnético B a uma temperatura de 1,7 K. Eles observaram que a pequena assimetria elétron-buraco é intrínseca aos dispositivos tBLG, conforme observado em relatórios anteriores. A equipe observou os resultados para detalhar o menor valor de ângulo de torção relatado até o momento para dispositivos tBLG exibindo supercondutividade.
Resposta da supercondutividade ao campo magnético. Rxx (Vg, B) ilustrando o desaparecimento da supercondutividade com campo magnético perpendicular. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw9770
Ao examinar mais de perto o diagrama do leque de Landau, Codecido et al. obteve uma série de características salientes. Por exemplo, o pico na metade do enchimento e a degenerescência dupla dos níveis de Landau foram consistentes com observações anteriores de um estado de isolamento correlacionado semelhante a Mott. A equipe mostrou a quebra da simetria SU (4) aproximada do vale de spin e a formação de uma nova superfície de quase-partícula de Fermi. Contudo, os detalhes exigiam um exame mais delicado. Eles também observaram o surgimento da supercondutividade, que aumentou o Rxx (resistência longitudinal), semelhante ao trabalho anterior.
A equipe então investigou a temperatura crítica (Tc) da fase supercondutora. Uma vez que os dados não foram obtidos no doping ideal para supercondutividade nesta amostra, os cientistas presumiram que o Tc poderia ser tão alto quanto 0,5 K. No entanto, o dispositivo deixou de funcionar antes que eles pudessem obter dados claros do estado supercondutor. Para investigar mais a fundo o estado supercondutor, eles mediram as características de tensão-corrente (V-I) de quatro terminais do dispositivo em diferentes densidades de portadora. Eles obtiveram exibições de resistência e observaram a supercorrente para uma faixa extensa de densidade e mostraram a supressão da supercorrente na aplicação de um campo magnético paralelo. Para obter informações sobre o comportamento observado no estudo, Codecido et al. calculou a estrutura de banda moiré para o dispositivo tBLG usando o modelo Bistritzer-MacDonald com parâmetros refinados.
Cálculos de estruturas de banda eletrônica de 0,93 ° tBLG. (A) Dispersão de energia. (B) Densidade de estados (DOS). Na obtenção do DOS a partir da estrutura da banda, 1 meV foi usado para o intervalo de energia, e a degeneração do vale do spin foi considerada. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw9770
Em contraste com os cálculos anteriores do ângulo mágico, a equipe de pesquisa mostrou que as bandas de Dirac de moiré de baixa energia calculadas não eram tão isoladas energeticamente das bandas de alta energia. Embora o ângulo de torção do dispositivo fosse menor do que o ângulo mágico calculado em outro lugar, o dispositivo hospedou fenômenos (isolamento semelhante a Mott e supercondutividade) que se correlacionaram fortemente com estudos anteriores. Os físicos acharam isso inesperado e desejável.
Em uma avaliação posterior do comportamento em grande densidade (o número de estados disponíveis em cada energia), os cientistas creditaram as características observadas a um estado de isolamento correlacionado emergente. Eles propõem estudos adicionais delicados da densidade de estados (DOS) no futuro para entender os estados isolantes exóticos e determinar se eles podem ou não ser classificados como líquidos de spin quântico.
Desta maneira, Emilio Codecido e colegas observaram supercondutividade perto de um estado de isolamento semelhante a Mott dentro de um dispositivo de bicamada torcida em um pequeno ângulo de torção (0,93 °). O trabalho mostrou a influência de correlações eletrônicas nas propriedades de superredes moiré, mesmo em ângulos tão pequenos e altas densidades. Trabalhos futuros investigarão a ordenação de vale de spin das fases isolantes e investigações em temperaturas mais baixas em sua busca por novas fases supercondutoras. Os estudos experimentais serão acoplados a esforços teóricos para compreender as origens desse comportamento.
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