En ciencia de materiales y física cuántica, bandas planas y comportamientos correlacionados dentro del "ángulo mágico" del grafeno bicapa retorcido (tBLG) ha despertado un interés significativo, aunque muchas de sus propiedades enfrentan un intenso debate. En un nuevo informe publicado en Avances de la ciencia , Emilio Codecido y sus colegas en los departamentos de física y ciencia de los materiales en los EE. UU. Y Japón observaron tanto la superconductividad como un estado aislante similar a Mott en un dispositivo tBLG con un ángulo de torsión de aproximadamente 0,93 grados. Este ángulo era un 15 por ciento más pequeño que el ángulo mágico calculado (∼ 1,1 °) en estudios anteriores. El estudio reveló que el rango "mágico" de tBLG es mayor de lo esperado. El trabajo proporcionó una gran cantidad de nueva información para descifrar los fuertes fenómenos cuánticos dentro de los dispositivos tBLG para aplicaciones en física cuántica.

Los físicos definen 'Twistronics' como el ángulo de torsión relativo entre capas de van der Waals adyacentes para producir una superrejilla muaré y bandas planas en el grafeno. El concepto ha surgido como un enfoque nuevo y especialmente adecuado para alterar y adaptar notablemente las propiedades de dispositivos bidimensionales basados ​​en materiales para permitir el flujo de electricidad. El marcado efecto de Twistronics se ejemplifica en un innovador trabajo reciente de investigadores que demostraron la aparición de bandas extremadamente planas cuando dos capas de grafeno monocapa se apilaron en un ángulo de giro mágico de θ =1,1 ± 0,1 °.

En el presente trabajo, Codecido y col. observó experimentalmente una fase insultante a la mitad del llenado de la primera minibanda (característica estructural) de la superrejilla en el dispositivo de grafeno bicapa retorcido (tBLG) en el ángulo mágico. El equipo de investigación identificó que se trataba de un aislante Mott (un aislante con propiedades de superconductividad) que exhibía superconductividad con un dopaje ligeramente más alto y más bajo. El diagrama de fase reveló superconductores de alta temperatura entre la temperatura de transición de la superconductividad (Tc) y la temperatura de Fermi (T _F ). El trabajo despertó un gran interés y un debate teórico sobre el sistema de semiconductores en relación con la estructura de la banda de energía, topología y ángulos mágicos adicionales de grafeno. En comparación con los informes teóricos iniciales, los estudios experimentales son escasos y apenas comienzan a surgir.

En este estudio, El equipo de investigación realizó mediciones de transporte de un dispositivo tBLG de ángulo mágico que presenta estados de aislamiento y superconducción correlacionados. Obtuvieron inesperadamente un ángulo de giro de 0,93 ± 0,01, que era un 15 por ciento más pequeño que el ángulo mágico ya establecido, siendo el más pequeño registrado hasta la fecha y exhibiendo superconductividad. Estos resultados indicaron que los nuevos estados correlacionados podrían surgir en el dispositivo tBLG por debajo del ángulo mágico primario y más allá de la primera minibanda de grafeno.

Para construir los dispositivos, el equipo de investigación utilizó el enfoque de "rasgar y apilar". Encapsularon la construcción entre capas hexagonales de nitruro de boro (BN); modelado en una geometría de barra Hall con múltiples conductores acoplados a contactos de borde de Cr / Au (cromo / oro). Fabricaron todo el dispositivo sobre una capa de grafeno que sirvió como puerta trasera. Codecido y col. midió los dispositivos en bombeo He ⁴ y el ³ criostatos que utilizan técnicas estándar de bloqueo de corriente continua (CC) y corriente alterna (CA). El equipo registró la resistencia longitudinal del dispositivo (Rxx) frente a un rango de voltaje de compuerta extendido (Vg) y calculó el campo magnético B a una temperatura de 1,7 K. Observaron que la asimetría de pequeños agujeros de electrones es intrínseca a los dispositivos tBLG como se observa en informes anteriores. El equipo anotó los resultados para detallar el valor de ángulo de torsión más pequeño informado hasta la fecha para los dispositivos tBLG que exhiben superconductividad.

En un examen más detenido del diagrama de abanico de Landau, Codecido y col. obtuvo una serie de características destacadas. Por ejemplo, el pico a la mitad del llenado y la degeneración doble de los niveles de Landau fueron consistentes con observaciones previas de un estado aislante correlacionado similar al de Mott. El equipo mostró la ruptura de la simetría SU (4) aproximada del valle de espín y la formación de una nueva superficie de Fermi de cuasi partículas. Sin embargo, los detalles requerían un examen más delicado. También observaron la aparición de superconductividad, que aumentó el Rxx (resistencia longitudinal), similar al trabajo anterior.

Luego, el equipo investigó la temperatura crítica (Tc) de la fase superconductora. Dado que los datos no se obtuvieron con el dopaje óptimo para la superconductividad en esta muestra, los científicos asumieron que Tc podría ser tan alto como 0.5 K. Sin embargo, el dispositivo dejó de funcionar antes de que pudieran obtener datos claros del estado superconductor. Para investigar más a fondo el estado superconductor, midieron las características de voltaje-corriente (V-I) de cuatro terminales del dispositivo a diferentes densidades de portadora. Obtuvieron exhibiciones de resistencia y observaron la supercorriente para un rango extendido de densidad y mostraron la supresión de la supercorriente al aplicar un campo magnético paralelo. Para comprender mejor el comportamiento observado en el estudio, Codecido y col. calculó la estructura de la banda muaré para el dispositivo tBLG utilizando el modelo Bistritzer-MacDonald con parámetros refinados.

A diferencia de los cálculos anteriores del ángulo mágico, El equipo de investigación mostró que las bandas de Dirac muaré de baja energía calculadas no estaban tan aisladas energéticamente de las bandas de alta energía. Aunque el ángulo de giro del dispositivo era más pequeño que el ángulo mágico calculado en otro lugar, el dispositivo alojó fenómenos (aislamiento y superconductividad tipo Mott) que se correlacionaron fuertemente con estudios previos. Los físicos encontraron esto inesperado y deseable.

En una evaluación adicional del comportamiento a gran densidad (el número de estados disponibles en cada energía), los científicos atribuyeron las características observadas a un estado aislante correlacionado de reciente aparición. Proponen estudios delicados adicionales de la densidad de estados (DOS) en el futuro para comprender los estados aislantes exóticos y determinar si pueden clasificarse o no como líquidos de espín cuántico.

De este modo, Emilio Codecido y sus colegas observaron superconductividad cerca de un estado aislante similar al de Mott dentro de un dispositivo bicapa retorcido en un pequeño ángulo de torsión (0,93 °). El trabajo mostró la influencia de las correlaciones de electrones en las propiedades de las superredes muaré incluso en ángulos tan pequeños y densidades tan altas. El trabajo futuro investigará el orden del valle de espín de las fases aislantes y las investigaciones a temperaturas más bajas en su búsqueda de nuevas fases superconductoras. Los estudios experimentales se combinarán con esfuerzos teóricos para comprender los orígenes de este comportamiento.

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