De observatie van gecorreleerde toestanden en supergeleiding in gedraaid drielaags grafeen

Wanneer twee lagen grafeen of andere tweedimensionale (2D) materialen op elkaar worden gestapeld met een kleine hoekafwijking, zijn de kristalroosters die door elke laag worden geproduceerd ruimtelijk ‘niet synchroon’. Dit resulteert in een uniek structureel patroon dat bekend staat als moiré superrooster.

In de afgelopen jaren hebben veel natuurkundigen de eigenschappen en kenmerken van moiré-superroosters onderzocht, omdat ze bijzonder veelbelovend zijn gebleken voor de ontwikkeling van nieuwe kwantumtechnologieën. De meeste van deze onderzoeken hebben zich gericht op gedraaid dubbellaags grafeen, een materiaal dat bestaat uit twee lagen grafeen die op elkaar zijn gestapeld en geroteerd door een kleine draaihoek.

Onderzoekers van de Universiteit van Minnesota en Harvard University hebben onlangs een onderzoek uitgevoerd naar de eigenschappen van gedraaid drielaags grafeen, dat bestaat uit drie gestapelde lagen grafeen met twee opeenvolgende kleine draaihoeken. Hun paper, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven, bieden bewijs van gecorreleerde isolatietoestanden en de transportsignatuur van supergeleiding in het materiaal.

“Er is eerder aangetoond dat gedraaid dubbellaags grafeen supergeleidend kan worden met een nauwkeurig afgestelde draaihoek,” vertelde Ke Wang, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, aan Phys.org. “De gedraaide dubbellagen zijn zeer afstembaar in termen van materiaalparameters en elektrostatica, wat nieuwe inzichten mogelijk maakt voor het begrijpen van gecorreleerde elektronenfysica en nieuwe potentiële toepassingen voor kwantumelektronica belooft.”

Door een derde laag grafeen toe te voegen, produceerden Wang en zijn collega’s een structuur die ze ‘moiré of moiré’ superrooster noemden. Vervolgens onderzochten ze deze structuur en probeerden ze de eigenschappen en kenmerken ervan beter te begrijpen.

“Ons recente werk voegt een 3 . toe^rd laag grafeen om een ​​gedraaide drielaagse te vormen,” legde Wang uit. “De twee superroosters van laag 1-2 en laag 2-3 zijn opnieuw ‘niet synchroon’, wat aanleiding geeft tot een superrooster van hogere orde, waarnaar we verwijzen als ‘moiré of moiré superrooster’. Vervolgens koelen we het systeem af tot lage temperatuur (10mK – 20K) en bestuderen we het elektronische transportgedrag.”

De hogere orde ‘moiré van moiré superrooster’ in gedraaid drielaags grafeen lijkt een zeer ingewikkelde fysica te vertonen, zowel structureel als elektronisch. Het materiaal vertoont bijvoorbeeld de transportsignatuur van supergeleiding bij een extreem lage elektronendichtheid (~ 10¹⁰ cm^-2), twee orden van grootte kleiner dan de elektronendichtheden die in eerdere artikelen zijn gerapporteerd.

“Onze experimentele resultaten werpen ook een belangrijk nieuw licht op het begrijpen van supergeleiding in grafeen,” zei Wang. “Vroeger werd aangenomen dat elektronen energetisch geïsoleerd moeten worden voordat ze aanleiding kunnen geven tot supergeleiding in grafeen, maar ons experiment lijkt anders te suggereren.”

In de toekomst kan het nieuwe materiaal dat door dit team van onderzoekers wordt bestudeerd, zeer waardevol blijken te zijn voor de fabricage van nieuwe technologie, met name kwantumelektronica en computerplatforms. Bovendien zouden de bevindingen van Wang en zijn collega’s andere onderzoeksteams kunnen inspireren om ook het potentieel te bestuderen van gedraaid drielaags grafeen of van andere systemen die aanleiding kunnen geven tot een ‘moiré of moiré’-superrooster.

“Het materiaal dat we hebben onthuld, zou een veelbelovende atomair schone supergeleider kunnen zijn die elektrostatisch kan worden afgestemd met extreem lage dragerdichtheidsverandering, wat wenselijk is voor toekomstige kwantumelektronische apparaten”, voegde Wang eraan toe. “Om de potentiële toepassingen ervan beter te begrijpen, zijn we nu van plan om de structurele eigenschappen van gedraaid drielaags grafeen te bestuderen met behulp van verschillende microscopietechnieken en gate-gedefinieerde nanostructuren te fabriceren om nieuwe kwantumfenomenen die uit het systeem zouden kunnen voortvloeien, te onderzoeken en te manipuleren.”