Nieuwe vooruitgang in supergeleiders met ’twist’ in rhombohedraal grafiet

Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van de Universiteit van Manchester heeft een nanomateriaal onthuld dat het ‘magische hoek’-effect weerspiegelt dat oorspronkelijk werd aangetroffen in een complexe kunstmatige structuur die bekend staat als twisted bilayer graphene – een belangrijk studiegebied in de natuurkunde van de afgelopen jaren.

Het nieuwe onderzoek toont aan dat de speciale topologie van rhombohedraal grafiet effectief zorgt voor een ingebouwde “twist” en daarom een ​​alternatief medium biedt om potentieel spelveranderende effecten zoals supergeleiding te bestuderen. “Het is een interessant alternatief voor zeer populaire studies van grafeen met een magische hoek”, zei grafeenpionier professor Sir Andre Geim, een co-auteur van de studie.

Het team, geleid door Artem Mishchenko, hoogleraar Condensed Matter Physics aan de Universiteit van Manchester, publiceerde zijn bevindingen in het tijdschrift Natuur op 12 augustus 2020.

“Rhombohedraal grafiet kan helpen om materialen waarin sterke elektronische correlaties belangrijk zijn, zoals zware fermionverbindingen en hogetemperatuursupergeleiders beter te begrijpen”, zei professor Mishchenko.

Een eerdere stap voorwaarts in tweedimensionaal materiaalonderzoek was het merkwaardige gedrag dat het stapelen van een vel grafeen op elkaar en het draaien ervan tot een ‘magische hoek’ de eigenschappen van de dubbellaag veranderde en het in een supergeleider veranderde.

Professor Mishchenko en zijn collega’s hebben nu het ontstaan ​​van sterke elektron-elektron-interacties waargenomen in een zwak stabiele rhombohedrale vorm van grafiet – de vorm waarin grafeenlagen zich iets anders opstapelen in vergelijking met stabiele hexagonale vorm.

Interacties in twisted bilayer graphene zijn uitzonderlijk gevoelig voor de twisthoek. Kleine afwijkingen van ongeveer 0,1 graad ten opzichte van de exacte magische hoek onderdrukken interacties sterk. Het is buitengewoon moeilijk om apparaten te maken met de vereiste nauwkeurigheid en vooral voldoende uniforme apparaten te vinden om de opwindende fysica te bestuderen. De nieuw gepubliceerde bevindingen over rhombohedraal grafiet hebben nu een alternatieve route geopend voor het nauwkeurig maken van supergeleiders.

Grafiet, een koolstofmateriaal dat bestaat uit gestapelde grafeenlagen, heeft twee stabiele vormen: hexagonaal en rhombohedraal. De eerste is stabieler en is dus uitgebreid bestudeerd, de laatste minder.

Om het nieuwe resultaat beter te begrijpen, is het belangrijk om te onthouden dat de grafeenlagen op verschillende manieren zijn gestapeld in deze twee vormen van grafiet. Zeshoekig grafiet (de vorm van koolstof die in potlood wordt aangetroffen) is samengesteld uit grafeenlagen die ordelijk op elkaar zijn gestapeld. De metastabiele rhombohedrale vorm heeft een iets andere stapelvolgorde, en dit kleine verschil leidt tot een drastische verandering in het elektronische spectrum.

Eerdere theoretische studies hebben gewezen op het bestaan ​​van allerlei soorten veel-lichaamsfysica in de oppervlaktetoestanden van rhombohedraal grafiet – inclusief magnetische ordening bij hoge temperatuur en supergeleiding. Deze voorspellingen konden echter niet worden geverifieerd, aangezien metingen van elektronentransport op het materiaal tot nu toe volledig ontbraken.

Het Manchester-team bestudeert al een aantal jaren hexagonale grafietfilms en heeft geavanceerde technologieën ontwikkeld om hoogwaardige monsters te produceren. Een van hun technieken is het inkapselen van de films met een atomair vlakke isolator, hexagonaal boornitride (hBN), die dient om de hoge elektronische kwaliteit in de resulterende hBN / hexagonale grafiet / hBN-heterostructuren te behouden. In hun nieuwe experimenten met rhombohedraal grafiet hebben de onderzoekers hun technologie aangepast om de fragiele stapelvolgorde van deze minder stabiele vorm van grafiet te behouden.

De onderzoekers fotografeerden hun monsters, die tot 50 lagen grafeen bevatten, met behulp van Raman-spectroscopie om te bevestigen dat de stapelvolgorde in het materiaal intact bleef en dat het van hoge kwaliteit was. Vervolgens maten ze de elektronische transporteigenschappen van hun monsters op de traditionele manier – door de weerstand van het materiaal te registreren terwijl ze de temperatuur veranderden en de sterkte van een magnetisch veld dat erop werd toegepast.

De energiekloof kan ook worden geopend in de oppervlaktetoestanden van rhombohedraal grafiet door een elektrisch veld aan te leggen, legt professor Mishchenko uit: “De opening van de spleet in de oppervlaktetoestand, die theoretisch werd voorspeld, is ook een onafhankelijke bevestiging van de rhombohedrale aard van de monsters, aangezien een dergelijk fenomeen is verboden in hexagonaal grafiet. “

In rhombohedraal grafiet dunner dan 4 nm, is er een bandafstand aanwezig, zelfs zonder een extern elektrisch veld aan te leggen. De onderzoekers zeggen dat ze nog niet zeker zijn van de exacte aard van deze spontane opening (die optreedt bij de “ladingsneutraliteit” – het punt waarop de dichtheden van elektronen en gaten in evenwicht zijn), maar ze zijn druk bezig om deze vraag te beantwoorden.

“Uit onze experimenten in het kwantum Hall-regime zien we dat de kloof een kwantumspin Hall-karakter heeft, maar we weten niet of de spontane opening van de kloof bij de ladingsneutraliteit van dezelfde oorsprong is”, voegt professor Mishchenko toe. “ In ons geval ging deze opening gepaard met hysteretisch gedrag van de weerstand van het materiaal als een functie van aangelegde elektrische of magnetische velden. Deze hysterese (waarbij de weerstandsverandering achterblijft bij de aangelegde velden) impliceert dat er verschillende fasen met elektronische tussenruimte gescheiden zijn. in domeinen – en deze zijn typerend voor sterk gecorreleerde materialen. “

Nader onderzoek van rhombohedraal grafiet zou meer licht kunnen werpen op de oorsprong van veel-lichaamsverschijnselen in sterk gecorreleerde materialen zoals zware-fermionverbindingen en hogetemperatuur-supergeleiders, om maar twee voorbeelden te noemen.