Do comportamento convencional ao estranho do metal no grafeno de bicamada torcida com ângulo mágico

Uma imagem óptica do dispositivo criada pelos pesquisadores. Crédito:Jaoui et al.

O grafeno de bicamada torcida de ângulo mágico (MATBG) é um material à base de grafeno com uma estrutura única, consistindo de duas folhas de grafeno em camadas uma sobre a outra com um desalinhamento de aproximadamente 1,1°. Esta estrutura única foi encontrada para hospedar vários estados interessantes, incluindo estados isolantes correlacionados e supercondutividade não convencional.
Estudos anteriores examinando o MATBG também revelaram o surgimento do que é conhecido como um regime de metal "estranho" na proximidade da cúpula supercondutora, bem como um acoplamento elétron-fônon significativamente aprimorado. Embora essas observações tenham sido confirmadas por trabalhos posteriores, os mecanismos exatos que as sustentam permanecem obscuros.

Pesquisadores do Instituto de Ciência e Tecnologia de Barcelona, do Instituto Nacional de Ciências dos Materiais e do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) recentemente examinaram mais de perto essas propriedades do MATBG usando um diagrama de fases de baixa temperatura diferente dos utilizados em trabalhos anteriores . Seu artigo, publicado em Nature Physics , reuniram novas informações valiosas sobre o comportamento crítico quântico do material.

"Os primeiros relatórios sobre as propriedades de transporte elétrico do grafeno de bicamada torcida revelaram duas características fascinantes:o surgimento de um chamado regime de metal 'estranho' nas proximidades da cúpula supercondutora e um acoplamento elétron-fônon nitidamente aprimorado", Alexandre Jaoui, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, disse Phys.org. "Ainda assim, ambas as características compartilham, sob certas condições, uma assinatura comum:uma resistividade linear em temperatura. Uma questão que surgiu foi:um único mecanismo microscópico, elétrons espalhando fônons, pode ser responsável por ambas as observações anteriores? , na região de baixa temperatura, apontando para a existência de centros de espalhamento adicionais afetando portadores de carga?"

Um diagrama de fase esquemático do estado fundamental metálico do grafeno de ângulo mágico dopado com buracos com uma única cúpula supercondutora. Crédito:Jaoui et al.

As respostas para essas perguntas até agora elusivas só podem ser encontradas examinando o MATBG em baixas temperaturas, onde os fônons (ou seja, quasipartículas associadas a ondas como som ou vibração) são suprimidos. Nos dispositivos MATBG relatados na literatura anterior, no entanto, o estado fundamental metálico era tipicamente oculto por uma série de transições de fase.

"Nós propusemos aproveitar nossos dispositivos 'selecionados', nos quais os isoladores correlacionados são suprimidos, para estudar o grafeno de ângulo mágico com um diagrama de fases de baixa temperatura muito mais simples:uma única cúpula supercondutora encerrada em uma fase metálica", explicou Jaoui. . "Isso nos permitiu focar no último estado."

Para fabricar sua estrutura MATBG, Jaoui e seus colegas usaram um método de 'cortar e empilhar' frequentemente usado por equipes de pesquisa que examinam heteroestruturas 2D. Para encapsular o dispositivo, eles usaram uma fina camada de nitreto de boro hexagonal (hBN).

“A proximidade das camadas de grafeno ao portão metálico nos permite suprimir os estados isolantes de baixa temperatura e, assim, concede mais acesso ao estado fundamental metálico”, disse Jaoui. "Em seguida, coletamos medições usando técnicas convencionais de transporte quântico (ou seja, transporte elétrico DC)."

A equipe de pesquisa que realizou o estudo. Da esquerda para a direita:Ipsita Das, Alexandre Jaoui, Jaime Díez-Mérida, Giorgio di Battista, Dmitri K. Efetov

As medições reunidas por Jaoui e seus colegas confirmaram a ocorrência do mesmo comportamento metálico 'estranho' relatado em estudos anteriores (ou seja, uma resistividade linear em T com uma taxa de dispersão Planckiana). No entanto, o estudo da equipe mostra que esse comportamento se estende a temperaturas muito abaixo da temperatura de Bloch-Grüneisen, enquanto o sistema tem uma temperatura de Fermi finita. Além disso, suas descobertas destacam uma assinatura adicional de metalicidade estranha, ou seja, uma magnetoresistência linear aprimorada.

“Talvez a parte mais interessante deste estudo, no entanto, seja a recuperação do comportamento arquetípico de um metal diluído e correlacionado desordenado, o comportamento líquido de Fermi, longe da cúpula supercondutora”, disse Jaoui. “Esta evolução sugere que as flutuações de natureza ainda a ser determinada dominam o estado fundamental metálico nas proximidades da cúpula supercondutora e impulsionam a resistividade linear de baixa temperatura”.

No geral, as descobertas reunidas por esta equipe de pesquisadores sugerem que as flutuações quânticas e a supercondutividade no MATBG podem estar relacionadas. 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." + Explorar mais