Ein Forscherpaar, einer von der Peking University, der andere von der Princeton University, hat herausgefunden, dass die Parameter der Anregungsspektren von verdrilltem Graphen direkt den Attributen des schweren Fermion-Modells entsprechen. In ihrem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Briefe zur körperlichen Überprüfung, Zhi-Da Song und B. Andrei Bernevig beschreiben den Aufbau eines Modells, um Aspekte des Bistrizer-MacDonald-Modells zu zeigen, und verwendeten es dann, um die Eigenschaften von verdrilltem zweischichtigem Graphen zu demonstrieren. Aline Ramires vom Paul Scherrer Institut hat in der Zeitschrift einen News & Views-Beitrag veröffentlicht Natur skizziert die Arbeit von Bernevig und Song.
Graphen ist eine flache 2D-Kohlenstoffschicht und Gegenstand umfangreicher Forschung. Eine Forschungsarbeit vor vier Jahren bestand darin, eine Graphenschicht über eine andere zu legen und dann die obere Schicht zu verdrehen. Nach vielen Versuchen und Irrtümern fanden diese Forscher heraus, dass das Verdrehen der oberen Schicht um einen bestimmten Betrag (1,05 Grad) zur Entstehung eines Supraleiters führte. Das führte dazu, dass sie den verdrehten Betrag als „magischen Winkel“ bezeichneten.
Seitdem haben andere Forscher die Eigenschaften von verdrilltem zweischichtigem Graphen untersucht, das in seinem magischen Winkel ausgerichtet ist. In diesem neuen Versuch untersuchten die Forscher seine Anregungsspektren und stellten fest, dass sie den Parametern des Fermionenmodells entsprachen.
Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass verdrilltes Doppelschicht-Graphen bei genau der richtigen Ausrichtung einige einzigartige Eigenschaften annimmt – beispielsweise bewegt sich ein Satz Elektronen, was für seine Leitfähigkeit verantwortlich ist. Aber ein anderer Satz Elektronen bleibt fixiert. Die beiden widersprüchlichen Eigenschaften des Materials ermöglichen es Wissenschaftlern, eine Probe zwischen einen Isolator und einen Supraleiter zu schieben.
Um besser zu verstehen, warum das passiert, erstellten Song und Bernevig ein Modell des Systems und führten damit exakte Berechnungen durch, die das Verhalten des Materials beschreiben. Sie fanden heraus, dass sie in der Lage waren, die Struktur von verdrilltem Doppelschicht-Graphen im Vergleich zu schweren Fermion-Materialien zu beschreiben. Weitere Arbeiten zeigten, dass die Parameter des Materials direkt den Parametern des Heavy-Fermion-Modells entsprachen. Schwere Fermionmaterialien sind solche, die am Ende des Periodensystems zu finden sind.
Zhi-Da Song et al, Magic-Angle Twisted Bilayer Graphene as a Topological Heavy Fermion Problem, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.047601
Aline Ramires, Twisted-Graphene-Modell lässt sich von schweren Elementen inspirieren, Natur (2022). DOI: 10.1038/d41586-022-02108-w
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