Van conventioneel naar vreemd metaalgedrag in met een magische hoek gedraaid dubbellaags grafeen

Magic-angle twisted bilayer grafeen (MATBG) is een op grafeen gebaseerd materiaal met een unieke structuur, bestaande uit twee grafeenvellen die op elkaar zijn gelaagd met een afwijking van ongeveer 1,1°. Deze unieke structuur bleek verschillende interessante toestanden te herbergen, waaronder gecorreleerde isolerende toestanden en onconventionele supergeleiding.

Eerdere onderzoeken naar MATBG onthulden ook de opkomst van wat bekend staat als een “vreemd” metaalregime in de buurt van de supergeleidende koepel, evenals een aanzienlijk verbeterde elektron-fononkoppeling. Hoewel deze waarnemingen door latere werken werden bevestigd, blijven de exacte mechanismen die eraan ten grondslag liggen onduidelijk.

Onderzoekers van het Barcelona Institute of Science and Technology, het National Institute for Material Sciences en het Massachusetts Institute of Technology (MIT) hebben onlangs deze eigenschappen van MATBG nader bekeken met behulp van een ander fasediagram bij lage temperatuur dan dat in eerdere werken werd gebruikt. . Hun paper, gepubliceerd in Natuurfysicaverzamelde nieuw waardevol inzicht over het kwantumkritische gedrag van het materiaal.

“Eerste rapporten over de elektrische transporteigenschappen van gedraaid dubbellaags grafeen onthulden twee fascinerende kenmerken: de opkomst van een zogenaamd ‘vreemd’ metaalregime in de buurt van de supergeleidende koepel en een sterk verbeterde elektron-fonon koppeling,’ vertelde Alexandre Jaoui, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, aan Phys.org. “Toch delen beide kenmerken, onder bepaalde omstandigheden, een gemeenschappelijk kenmerk: een lineaire temperatuurweerstand. Een vraag die opkwam was: kan een enkel microscopisch mechanisme, elektronen die van fononen worden verstrooid, beide eerdere waarnemingen verklaren? Of wijst deze signatuur, in het lage temperatuurgebied, op het bestaan ​​van extra verstrooiingscentra die ladingsdragers beïnvloeden?”

De antwoorden op deze tot nu toe ongrijpbare vragen kunnen alleen worden gevonden door MATBG te onderzoeken bij lage temperaturen, waar fononen (dwz quasideeltjes geassocieerd met golven zoals geluid of trillingen) worden onderdrukt. In de MATBG-apparaten die in eerdere literatuur zijn gerapporteerd, werd de metalen grondtoestand echter meestal verborgen door een reeks faseovergangen.

“We hebben voorgesteld om profiteer van onze ‘afgeschermde’ apparatenwaarin de gecorreleerde isolatoren worden onderdrukt, om grafeen met een magische hoek te bestuderen met een veel eenvoudiger fasediagram bij lage temperatuur: een enkele supergeleidende koepel ingesloten in een metalen fase, “legde Jaoui uit. “Hierdoor konden we ons concentreren op de laatste toestand. “

Om hun MATBG-structuur te fabriceren, gebruikten Jaoui en zijn collega’s een ‘cut-and-stack’-methode die vaak wordt gebruikt door onderzoeksteams die 2D-heterostructuren onderzoeken. Om hun apparaat in te kapselen, gebruikten ze een dunne laag hexagonaal boornitride (hBN).

“De nabijheid van de grafeenlagen tot de metalen poort stelt ons in staat om onderdrukken de lage temperatuur isolerende staten; en geeft zo verdere toegang tot de metalen grondtoestand,” zei Jaoui. “Vervolgens verzamelden we metingen met behulp van conventionele kwantumtransporttechnieken (dwz elektrisch gelijkstroomtransport).”

De metingen verzameld door Jaoui en zijn collega’s bevestigden het optreden van hetzelfde ‘vreemde’ metaalgedrag dat in eerdere studies werd gerapporteerd (dwz een lineaire-in-T-weerstand met een Planckiaanse verstrooiingssnelheid). Uit de studie van het team blijkt echter dat dit gedrag zich uitbreidt tot temperaturen ver onder de Bloch-Grüneisen-temperatuur, terwijl het systeem een ​​eindige Fermi-temperatuur heeft. Bovendien benadrukken hun bevindingen een extra kenmerk van vreemde metalliciteit, namelijk een verbeterde lineaire magnetoweerstand.

“Misschien is het meest interessante deel van deze studie echter het herstel van het archetypische gedrag van een ongeordend verdund en gecorreleerd metaal, het Fermi-vloeistofgedrag, weg van de supergeleidende koepel,” zei Jaoui. “Deze evolutie suggereert dat fluctuaties van een nog nader te bepalen aard de metalen grondtoestand in de buurt van de supergeleidende koepel domineren en de lineaire soortelijke weerstand bij lage temperatuur aandrijven.”

Over het algemeen suggereren de bevindingen van dit team van onderzoekers dat kwantumfluctuaties en supergeleiding in MATBG gerelateerd kunnen zijn. In de toekomst zou hun werk kunnen inspireren tot nieuwe studies die deze mogelijkheid en de kwantumkritieke fase die in deze studie wordt waargenomen, verder onderzoeken.

“We onderzoeken nu de evolutie van de metalen grondtoestand als een functie van de ‘draaihoek’ van gedraaid dubbellaags grafeen,” voegde Jaoui eraan toe. “Dit is, op een zeer simplistische manier, een knop die de sterkte van de elektronische correlaties afstemt. We zullen binnenkort een verder rapport publiceren over de metallische grondtoestand van gedraaid dubbellaags grafeen.”