Een kijkje in een broodje grafeen

Sinds de eerste succesvolle fabricage van een tweedimensionale structuur van koolstofatomen ongeveer 20 jaar geleden, heeft grafeen wetenschappers gefascineerd. Een paar jaar geleden ontdekten onderzoekers dat twee lagen grafeen, lichtjes tegen elkaar gedraaid, elektrische stroom kunnen geleiden zonder verlies. In de afgelopen jaren heeft deze ontdekking wetenschappers ertoe aangezet om dergelijke gelaagde materialen in meer detail te onderzoeken. Een recent opmerkelijk voorbeeld is spiegelsymmetrisch getwist drielaags grafeen, waarbij drie lagen grafeen zijn gestapeld met afwisselende draaihoeken. Het is het eerste moiré-systeem dat zowel efficiënt kan worden afgesteld met een loodrecht elektrisch veld dat het experimenteel is aangetoond dat het robuuste supergeleiding vertoont, naast verschillende andere fasen. “Dit maakt drielaags grafeen een opwindend platform voor complexe veellichamenfysica, maar de aard van de waargenomen interactie-geïnduceerde isolatoren, halfmetalen en supergeleiding blijft onbekend”, zegt Mathias Scheurer van de afdeling Theoretische Fysica van de Universiteit van Innsbruck.

In een paper gepubliceerd in Fysieke beoordeling X, een team onder leiding van Scheurer bestudeerde numeriek en analytisch het fasediagram van dit systeem voor verschillende aantallen elektronen per moiré-eenheidscel en als een functie van elektrisch veld. “Dit is een zeer uitdagend probleem, aangezien het systeem zowel vlakke als sterk verspreide banden heeft”, zegt de theoretisch fysicus. “Desalniettemin zijn we erin geslaagd om aan te tonen dat de grondtoestand van het systeem bij afwezigheid van een veld ontkoppelt in een product van de grondtoestand van grafeen en de grondtoestand van gedraaid dubbellaags grafeen”, een eigenschap die vervolgens door experimenten is bevestigd.

Hun resultaten bevestigen verder de dominantie van isolerende en semi-metallische fasen in de aanwezigheid van een elektrisch veld die uniek zijn voor het drielagensysteem, dwz niet worden gerealiseerd in gedraaid dubbellaags grafeen. “We kunnen ons resulterende fasediagram gebruiken voor de gecorreleerde normale toestanden om de vorm van de supergeleider te beperken”, zegt Scheurer. “Onder andere zijn de resulterende twee supergeleidende kandidaat-toestanden die we krijgen consistent met de onverwachte stabiliteit van de supergeleider in het magnetische veld die we in het experiment hebben gezien.”

De relevantie van de bevindingen voor de fysica van gedraaid drielaags grafeen wordt verder bevestigd door een latere samenwerking met de groep van Abhay Pasupathy van de universiteit van Columbia. In een recent artikel in Wetenschap, rapporteren ze scanning tunneling microscopie (STM) gegevens op dit systeem. “We laten zien dat de gemeten tunnelingspectra significante interactie-effecten vertonen die kwalitatief kunnen worden vastgelegd door de cijfers van ons werk”, zegt Mathias Scheurer.