扭曲的双层石墨烯的“魔角范围”比先前预期的大

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低于魔角的扭曲双层石墨烯中相关的绝缘和超导状态。

在材料科学和量子物理学中,“ 魔术角 ”扭曲双层石墨烯(tBLG)内的平带和相关行为引起了人们极大的兴趣,尽管其许多特性都面临激烈的争论。在《科学进展》上发表的新报告中,美国和日本物理学和材料科学系的Emilio Codecido及其同事在tBLG器件中观察到超导电性和类似Mott的绝缘体状态,其扭曲角约为0.93度。该角度比计算出的魔角小15%在以前的研究中(〜1.1°)。研究表明,tBLG的“神奇”范围比以前预期的要大。这项工作提供了大量的新信息,以破译tBLG器件中的强量子现象,以应用于量子物理学。



物理学家将“ Twistronics ” 定义为相邻的范德华层之间的相对扭转角,以在石墨烯中产生莫尔超晶格和平坦带。该概念已成为一种新颖且独特的方法,可以显着改变和定制基于二维材料的设备属性,以实现电流流动。研究人员在近期开创性的工作中例证了Twistronics的显着效果,研究人员证明了当两个单层石墨烯层以魔术扭曲角 θ= 1.1±0.1° 堆叠时,出现了非常平坦的条带。


在目前的工作中,Codecido等。在扭曲的双层石墨烯(tBLG)器件中,实验观察到超晶格的第一个微带(结构特征)的一半填充处于魔角时的绝缘相。研究小组确定这是一种Mott绝缘体(一种具有超导电性的绝缘体),在较高和较低的掺杂下均表现出超导电性。相图显示高温超导体的超导转变温度(Tc)和费米温度(T之间˚F)。这项工作引起了人们对半导体系统与能带结构,拓扑和附加魔术角有关的极大兴趣和理论争论。石墨烯。与最初的理论报道相比,实验研究很少,只是刚刚开始出现。

低于魔角的扭曲双层石墨烯中相关的绝缘和超导状态。

来自超导状态的数据。(A)当密度调整至超导相(Vg〜0.53 V或nm〜2.5)时,ρ与温度的关系。(B)在基础温度(280 mK)下,超导相中的差分电阻dV / dI与偏置电流和栅极的关系。色标以千瓦为单位。(C)分别在T = 280 mK和Vg = 0.50 V(蓝色)和0.58 V(红色)时的电压-电流特性。(D)在不同平行磁场下的VI曲线。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / sciadv.aaw9770

在这项研究中,研究团队对显示相关的绝缘和超导状态的幻角tBLG器件进行了传输测量。他们出乎意料地获得了0.93±0.01的扭转角,比已经确定的魔术角小15%,同时是迄今为止报道的最小的扭转角,并表现出超导性。这些结果表明,新的相关态可能会在tBLG器件中出现在初级魔角以下并且超出石墨烯的第一个微带。

 

为了制造设备,研究团队使用了“ 撕裂和堆叠 ”方法。他们将结构封装在六方氮化硼(BN)层之间。图案化为霍尔棒几何图形,其中多个引线耦合到Cr / Au(铬/金)边缘触点。他们将整个器件制造在用作背栅的石墨烯层之上。Codecido等。测量了抽运的He 4和He 3中的设备使用标准直流(DC)和交流(AC)锁定技术的低温恒温器。该团队记录了器件的纵向电阻(Rxx)与扩展的栅极电压(Vg)范围,并计算了温度为1.7 K时的磁场B。他们观察到小电子空穴不对称性是tBLG器件固有的,如在以前的报告。研究小组注意到了这些结果,以详细说明迄今为止报道的具有超导性的tBLG器件的最小扭转角值。

低于魔角的扭曲双层石墨烯中相关的绝缘和超导状态。

对磁场的超导响应。Rxx(Vg,B)说明了超导电性在垂直磁场下的消失。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / sciadv.aaw9770

在仔细检查Landau扇形图时,Codecido等人。获得了许多显着特征。例如,半充填峰和Landau水平的两倍简并与以前观察到的类似Mott的相关绝缘状态一致。研究小组展示了近似自旋谷SU(4)对称性的破坏以及新的准粒子费米表面的形成。但是,这些细节需要更精细的检查。他们还观察到超导电性的出现,这增加了Rxx(纵向电阻),类似于之前的工作。


然后,研究小组研究了超导相的临界温度(Tc)。由于在该样品中未获得最佳掺杂的超导数据,因此科学家认为Tc可能高达0.5K。但是,该器件在从超导状态获得清晰数据之前就无法工作。为了进一步研究超导状态,他们在不同的载流子密度下测量了该器件的四端电压-电流(VI)特性。他们获得了电阻的显示,并在扩展的密度范围内观察到了超电流,并显示了在施加平行磁场时对超电流的抑制。为了深入了解研究中观察到的行为,Codecido等人。使用以下公式计算了tBLG器件的莫尔带结构具有改进参数的Bistritzer-MacDonald模型。

低于魔角的扭曲双层石墨烯中相关的绝缘和超导状态。

0.93°tBLG的电子能带结构的计算。(A)能量分散。(B)状态密度(DOS)。在从能带结构获得DOS时,将1meV用作能量间隔,并考虑了自旋谷简并。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / sciadv.aaw9770

与先前对魔角的计算相反,研究小组表明,计算出的低能量莫尔条纹Dirac频段与高能量频段的能量隔离程度不高。尽管该装置的扭转角小于其他地方计算出的幻角,但该装置具有与以前的研究密切相关的现象(类似于Mott的绝缘和超导性)。物理学家们发现这既是意料之外的又是可取的。


在进一步评估大密度下的行为(每种能量的可用状态数)时,科学家们将观察到的特征归因于一种新出现的相关绝缘状态。他们提出了将来对状态密度(DOS)进行更精细的研究,以了解奇异的绝缘态并确定它们是否可以归类为量子自旋液体。


以这种方式,Emilio Codecido及其同事在双绞线器件中以较小的扭曲角(0.93°)观察到接近Mott状绝缘状态的超导性。这项工作表明,即使在如此小的角度和高密度下,电子相关性对莫尔超晶格性质的影响。未来的工作将研究绝缘相的自旋谷顺序,并在更低的温度下进行研究以寻找新的超导相。实验研究将与理论上的努力相结合,以了解这种行为的起源。


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