![Illustratie van een moirépatroon dat ontstaat bij het stapelen en roteren van twee vellen dubbellaags grafeen. Gecorreleerde elektronische toestanden met magnetische ordening ontstaan in gedraaide dubbele dubbellaagse grafeen over een klein aantal draaihoeken en kunnen worden afgestemd met gating en door een elektrisch veld aan te leggen. Krediet: He et al. Studie onderzoekt spontane symmetriebreuk in gedraaid dubbel dubbellaag grafeen](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800/2020/14-studyexamine.jpg)
Illustratie van een moirépatroon dat ontstaat bij het stapelen en roteren van twee vellen dubbellaags grafeen. Gecorreleerde elektronische toestanden met magnetische ordening ontstaan in gedraaide dubbele dubbellaagse grafeen over een klein aantal draaihoeken en kunnen worden afgestemd met gating en door een elektrisch veld aan te leggen. Krediet: He et al.
De afgelopen jaren doet een groeiend aantal onderzoekers wereldwijd onderzoek naar de eigenschappen en eigenschappen van zogenaamde twisted van der Waals (vdW) -materialen. Deze unieke materiaalklasse zou een ideaal platform kunnen zijn om gecorreleerde fasen te onderzoeken die optreden als gevolg van sterke interacties tussen elektronen.
Onderzoekers van de Universiteit van Washington en het National Institute for Materials Science in Japan hebben onlangs een studie uitgevoerd waarin specifiek gecorreleerde isolatietoestanden werden onderzocht die kunnen voorkomen in gedraaide vdW-heterostructuren en die kunnen worden afgesteld door de twisthoek te veranderen en een extern elektrisch veld aan te leggen. In hun krant, gepubliceerd in Natuurfysicapresenteren ze elektrische transportmetingen van getwist dubbellaags grafeen, van waaruit ze de rol van spontane symmetriebreuk in het fasediagram van het materiaal konden onderzoeken.
Fysici van gecondenseerde materie weten al meer dan 15 jaar hoe ze enkelvoudige monolaag vellen van materialen zoals grafeen kunnen isoleren met behulp van een scotch-tape-exfoliatieprocedure. Ze weten nu ook hoe ze dunne atoomvellen afzonderlijk moeten oppakken en op elkaar moeten monteren. Als ze met een kleine draaihoek worden geroteerd, ontstaat een geometrisch interferentiepatroon dat moiré-patroon wordt genoemd. Dit patroon kan de elektronische eigenschappen van een composietstructuur sterk wijzigen.
“In bepaalde gevallen kan het moiré-patroon resulteren in spectaculaire nieuwe elektronische toestanden die worden aangestuurd door sterke interacties tussen de elektronen in het materiaal”, zegt Matthew Yankowitz, assistent-professor natuurkunde en materiaalkunde en engineering aan de Universiteit van Washington. de studie, vertelde Phys.org. “Dit werd voor het eerst ontdekt in 2018 door onderzoekers van het MIT, die supergeleiding en gecorreleerde isolatietoestanden observeerden bij het stapelen van twee monolaag grafeenplaten die 1,1 ° waren gedraaid (dat wil zeggen, magische hoek gedraaide dubbellaagse grafeen). Deze gecorreleerde staten zijn vooral opwindend omdat ze zich in een stoichiometrisch eenvoudige structuur die volledig uit koolstofatomen bestaat en dynamisch kan worden afgesteld met behulp van een aantal experimentele knoppen zoals ladingsdoping, draaihoek en druk. “
Vergelijkbare gecorreleerde toestanden zijn ook eerder waargenomen in bulkkristallen, maar in deze materialen waren ze veel moeilijker af te stemmen en theoretisch te modelleren vanwege de complexe structuren van de kristallen. Het begrijpen van deze sterk gecorreleerde toestanden blijft dus een belangrijke uitdaging in de fysica van de gecondenseerde materie.
Het doel van het recente werk van Yankowitz en zijn collega’s was om inzicht te krijgen in hoe deze gecorreleerde toestanden in vdW-heterostructuren kunnen worden gebruikt in onderzoek en technologieontwikkeling. Kort nadat ze voor het eerst werden gezien in magisch-hoek gedraaid dubbellaags grafeen, realiseerden onderzoeksteams over de hele wereld dat deze toestanden ook konden worden aangetroffen in heterostructuren met twee gedraaide vellen dubbellaagse grafeen (dwz vier grafeenlagen in totaal).
“In dit geval zouden de gecorreleerde toestanden bovendien kunnen worden gecontroleerd door een elektrisch veld dat loodrecht op de grafeenplaten wordt aangelegd”, legt Yankowitz uit. “De exacte aard van deze toestanden bleef echter enigszins mysterieus. Er waren met name kenmerken die leken op een exotische vorm van supergeleiding, maar de exacte oorsprong van deze kenmerken werd niet goed begrepen. De primaire motivatie van ons onderzoek was om deze vragen te beantwoorden. door gedraaide dubbellaagse grafeen met elektrische afstembaarheid te bestuderen. “
Als onderdeel van hun studie maten Yankowitz en zijn collega’s elektrisch transport als een functie van temperatuur en magnetisch veld. Als er een klein magnetisch veld is, geeft het weerstandsteken dwars op de aangelegde stroom, dat bekend staat als Hall-weerstand, aan welk type subatomaire deeltjes (dwz elektronen of ‘gaten’) de primaire ladingsdragers zijn in een materiaal.
![Optische microscoopopname van een gedraaid dubbel dubbellaags grafeenapparaat. Krediet: He et al. Studie onderzoekt spontane symmetriebreuk in gedraaid dubbel dubbellaag grafeen](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800/2020/15-studyexamine.jpg)
Optische microscoopopname van een gedraaid dubbel dubbellaags grafeenapparaat. Krediet: He et al.
Wanneer gecorreleerde toestanden spontaan een symmetrie breken (dwz elektronenspin of dal-symmetrie) in gedraaid dubbellaags grafeen bij lage temperaturen, verandert de elektronische structuur van het materiaal snel, en kunnen de primaire ladingsdragers ook veranderen. Daarom kan het gelijktijdig meten van de soortelijke weerstand en het Hall-effect van het materiaal waardevol inzicht bieden over de gecorreleerde toestanden erin.
“Door zorgvuldig de soortelijke weerstand en het Hall-effect van gedraaid dubbellaags grafeen te meten als een functie van de temperatuur, ontdekten we dat de abrupte daling van de soortelijke weerstand, die doet denken aan supergeleiding, ook verband hield met een gelijktijdige tekenverandering in de Hall-weerstand”, aldus Xiaodong Xu. , hoogleraar natuurkunde en materiaalkunde en engineering aan de Universiteit van Washington. “Deze waarneming is meer consistent met het begin van magnetische ordening als gevolg van spontane symmetriebreuk dan met supergeleiding.”
Interessant is dat de daling van de soortelijke weerstand waargenomen door Yankowitz, Xu en hun collega’s in gedraaid dubbellaags grafeen de scherpste verandering ondergaat als een functie van de temperatuur aan de grens van de symmetrie-verbroken toestanden. Als onderdeel van hun studie keken de onderzoekers ook naar transport als functie van de bias veroorzaakt door een aangelegde elektrische stroom.
Toen ze een stroom op het materiaal aanbrachten, observeerden ze handtekeningen die verband hielden met niet-lineair transport. Hoewel niet-lineair transport ook wordt waargenomen in supergeleidende toestanden, ontdekten ze dat het in hun steekproef hoogstwaarschijnlijk een gevolg was van Joule-verwarmingsmechanismen.
“Ons werk biedt een kritisch nieuw begrip van voorheen mysterieuze kenmerken die verband hielden met gecorreleerde toestanden in gedraaid dubbellaags grafeen,” zei Yankowitz. “Hoewel we supergeleiding niet direct kunnen uitsluiten, suggereren onze resultaten dat magnetisme aangedreven door spontane symmetriebreuk een plausibele kandidaat is voor de gecorreleerde metallische toestand in gedraaid dubbellaags grafeen.”
In de afgelopen jaren zijn supergeleiding-achtige kenmerken, vergelijkbaar met degene die door dit team van onderzoekers zijn onderzocht, waargenomen in een breed scala aan moiré vdW-heterostructuren. De nieuwe bevindingen die ze presenteerden, zouden kunnen helpen om deze toestanden te onderscheiden van de supergeleiding die eerdere studies hebben onthuld in magisch-hoek gedraaid dubbellaags grafeen.
Bovendien zouden de waarnemingen verzameld door Yankowitz, Xu en hun collega’s kunnen helpen om de aard van gecorreleerde toestanden in moiré vdW heterostructuren beter te begrijpen vanuit een theoretisch standpunt, dat tot dusverre zeer uitdagend is gebleken. De onderzoekers zijn van plan het verkregen inzicht te gebruiken om directere sondes te ontwikkelen om deze toestanden te begrijpen.
“Aangezien onze resultaten suggereren dat de gecorreleerde metaaltoestanden magnetisch geordend zijn, zouden we graag directe handtekeningen van dit magnetisme willen observeren met behulp van een combinatie van elektrisch transport en optische spectroscopie,” zei Yankowitz. “We onderzoeken ook nieuwe manieren om deze gecorreleerde toestanden te beheersen, bijvoorbeeld door hoge druk uit te oefenen om de koppeling tussen de lagen en de kristalstructuur van het materiaal te wijzigen. Ten slotte voorspelt de theorie dat dit materiaal topologische toestanden kan hebben, zoals het kwantumanomale Hall-effect, dus zoeken we nu naar manieren om deze niet-triviale topologie bloot te leggen en te onderzoeken. ”
Symmetrie breekt in gedraaid dubbel dubbellaag grafeen. Natuurfysica (2020). DOI: 10.1038 / s41567-020-1030-6.
Persbericht van de Universiteit van Washington
Natuurfysica