Magic-Angle Twisted Bilayer Graphene (MATBG) ist ein Material auf Graphenbasis mit einer einzigartigen Struktur, die aus zwei Graphenschichten besteht, die mit einer Fehlausrichtung von etwa 1,1° übereinander geschichtet sind. Es wurde festgestellt, dass diese einzigartige Struktur verschiedene interessante Zustände beherbergt, darunter korrelierte Isolationszustände und unkonventionelle Supraleitung.
Frühere Studien zur Untersuchung von MATBG enthüllten auch das Auftreten eines sogenannten „fremden“ Metallregimes in der Nähe der supraleitenden Kuppel sowie eine deutlich verbesserte Elektron-Phonon-Kopplung. Während diese Beobachtungen durch spätere Arbeiten bestätigt wurden, bleiben die genauen Mechanismen, die ihnen zugrunde liegen, unklar.
Forscher des Barcelona Institute of Science and Technology, des National Institute for Material Sciences und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben sich diese Eigenschaften von MATBG kürzlich genauer angesehen, indem sie ein anderes Niedrigtemperatur-Phasendiagramm als das in früheren Arbeiten verwendete verwendet haben . Ihre Arbeit, veröffentlicht in Naturphysikneue wertvolle Erkenntnisse über das quantenkritische Verhalten des Materials gewonnen.
„Frühe Berichte über die elektrischen Transporteigenschaften von verdrilltem Doppelschichtgraphen enthüllten zwei faszinierende Merkmale: die Entstehung von ein sogenanntes „seltsames“ Metallregime in der Nähe der supraleitenden Kuppel und eine stark verstärkte Elektron-Phonon-Kopplung“, sagte Alexandre Jaoui, einer der Forscher, der die Studie durchführte, gegenüber Phys.org. „Dennoch haben beide Merkmale unter bestimmten Bedingungen eine gemeinsame Signatur: einen linearen Temperaturwiderstand. Eine Frage, die sich stellte, war: Kann ein einziger mikroskopischer Mechanismus, Elektronen, die an Phononen gestreut werden, beide früheren Beobachtungen erklären? Oder weist diese Signatur im Niedertemperaturbereich auf die Existenz zusätzlicher Streuzentren hin, die Ladungsträger beeinflussen?“
Die Antworten auf diese bisher schwer fassbaren Fragen können nur durch Untersuchung von MATBG bei niedrigen Temperaturen gefunden werden, bei denen Phononen (dh Quasiteilchen, die mit Wellen wie Schall oder Vibration verbunden sind) unterdrückt werden. In den MATBG-Bauelementen, über die in der früheren Literatur berichtet wurde, war der metallische Grundzustand jedoch typischerweise durch eine Reihe von Phasenübergängen verdeckt.
„Wir haben es vorgeschlagen Profitieren Sie von unseren „gescreenten“ Gerätenin dem die korrelierten Isolatoren unterdrückt sind, um Graphen mit magischem Winkel mit einem viel einfacheren Niedertemperatur-Phasendiagramm zu untersuchen: eine einzelne supraleitende Kuppel, die in einer metallischen Phase eingeschlossen ist“, erklärte Jaoui. „Dies ermöglichte es uns, uns auf den letzteren Zustand zu konzentrieren. „
Um ihre MATBG-Struktur herzustellen, verwendeten Jaoui und seine Kollegen eine „Cut-and-Stack“-Methode, die häufig von Forschungsteams verwendet wird, die 2D-Heterostrukturen untersuchen. Um ihr Gerät einzukapseln, verwendeten sie eine dünne Schicht aus hexagonalem Bornitrid (hBN).
„Die Nähe der Graphenschichten zum metallischen Gate ermöglicht es uns unterdrücken die Isolationszustände bei niedriger Temperatur und gewährt somit weiteren Zugang zum metallischen Grundzustand“, sagte Jaoui.
Die von Jaoui und seinen Kollegen gesammelten Messungen bestätigten das Auftreten des gleichen „seltsamen“ Metallverhaltens, über das in früheren Studien berichtet wurde (dh ein linearer Widerstand in T mit einer Planckschen Streurate). Die Studie des Teams zeigt jedoch, dass sich dieses Verhalten auf Temperaturen weit unterhalb der Bloch-Grüneisen-Temperatur erstreckt, während das System eine endliche Fermi-Temperatur hat. Darüber hinaus heben ihre Ergebnisse eine zusätzliche Signatur einer seltsamen Metallizität hervor, nämlich einen erhöhten linearen Magnetowiderstand.
„Der vielleicht interessanteste Teil dieser Studie ist jedoch die Wiederherstellung des archetypischen Verhaltens eines ungeordneten verdünnten und korrelierten Metalls, des Fermi-Flüssigkeitsverhaltens, abseits der supraleitenden Kuppel“, sagte Jaoui. „Diese Entwicklung deutet darauf hin, dass Schwankungen einer noch zu bestimmenden Art den metallischen Grundzustand in der Nähe der supraleitenden Kuppel dominieren und den linearen Niedertemperaturwiderstand antreiben.“
Insgesamt deuten die von diesem Forscherteam gesammelten Ergebnisse darauf hin, dass Quantenfluktuationen und Supraleitung in MATBG zusammenhängen könnten. In Zukunft könnte ihre Arbeit neue Studien anregen, die diese Möglichkeit und die in dieser Studie beobachtete quantenkritische Phase weiter untersuchen.
„Wir untersuchen jetzt die Entwicklung des metallischen Grundzustands als Funktion des ‚Verdrillungswinkels‘ von verdrilltem zweischichtigem Graphen“, fügte Jaoui hinzu. „Dies ist auf sehr vereinfachte Weise ein Knopf, der die Stärke der elektronischen Korrelationen einstellt. Wir werden bald einen weiteren Bericht über den metallischen Grundzustand von verdrilltem Doppelschicht-Graphen veröffentlichen.“
Alexandre Jaoui et al, Quantum Critical Behavior in Magic-Angle Twisted Bilayer Graphene, Naturphysik (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01556-5
Yuan Cao et al., Strange Metal in Magic-Angle Graphene with near Planckian Dissipation, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.076801
Hryhoriy Polshyn et al., Large linear-in-temperature resistivity in twisted bilayer graphene, Naturphysik (2019). DOI: 10.1038/s41567-019-0596-3
Petr Stepanov et al., Lösen der isolierenden und supraleitenden Ordnungen in Graphen mit magischem Winkel, Natur (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2459-6
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