Dodanie zmiennego pola magnetycznego do dwóch warstw grafen skręcone pod kątem mogą powodować egzotyczne zjawiska elektroniczne.
Fizycy z RIKEN wykazali, że pola magnetyczne mogą manipulować właściwościami elektronicznymi skręconego dwuwarstwowego grafenu, wprowadzając nowe „magiczne” kąty i tworząc poczwórnie zdegenerowane płaskie pasma. Postępy te sugerują potencjał odkrywania większej liczby materiałów charakteryzujących się egzotycznymi zjawiskami elektronicznymi, poszerzając zakres fizyki materii skondensowanej.
Wykorzystanie pól magnetycznych w badaniach nad grafenem
Pola magnetyczne mogą tworzyć płaskie pasma w skręconych warstwach grafenu stworzyć nowy plac zabaw dla fizyki egzotycznej – wykazali fizycy RIKEN.
Egzotyczne właściwości grafenu – pojedynczej warstwy atomów węgla w sześciokątnej siatce – są obecnie dobrze znane. Elektrony skutecznie przemieszczają się przez grafen tak, jakby nie miały masy. To ekscytująca perspektywa tworzenia urządzeń elektronicznych o funkcjonalnościach wykraczających poza możliwości krzemu.
Badanie wzoru mory w skręconym grafenie
Sprawa staje się jeszcze dziwniejsza, gdy połączy się dwie lub więcej warstw grafenu.
Kiedy dwa arkusze z powtarzającym się wzorem zostaną ułożone jeden na drugim, wzór będzie znacznie większy pojawia się po obróceniu jednego arkusza. Dwie warstwy grafenu również wykazują ten tak zwany wzór mory.
Prowadzi to do radykalnej zmiany właściwości. Na przykład pod określonymi kątami skręcenia, dostosowując liczbę elektronów, dwuwarstwowy grafen może wykazywać zachowanie skorelowanego izolatora, a także nadprzewodnictwo.
Odblokowanie nowej fizyki za pomocą zmieniających się przestrzennie pól magnetycznych
Teraz Ching-Kai Chiu i Congcong Le, zarówno z RIKEN Interdyscyplinarnych Nauk Teoretycznych i Matematycznych (iTHEMS), jak i współpracownicy wykazali, że skręcony dwuwarstwowy grafen może stać się jeszcze bogatszym placem zabaw dla egzotycznej fizyki dzięki wykorzystaniu przestrzennie zmieniającego się pola magnetycznego.
Unikalna struktura pasmowa grafenu powoduje jego szczególne właściwości elektroniczne. „Grafen słynie ze struktury pasmowej z liniową zależnością między energią elektronu a pędem w określonych punktach” – wyjaśnia Chiu.
Dwie warstwy grafenu skręcone pod kątem zmieniają te pasma. „W skręconym grafenie dwuwarstwowym przy pewnych „magicznych” kątach skrętu pasma te przekształcają się w pasma płaskie, ponieważ sprzężenie międzywarstwowe między warstwami jest dostosowane do odpowiedniego miejsca” – mówi Chiu.
Postęp w badaniach interakcji elektronów
W tych płaskich pasmach energia kinetyczna elektronów jest zminimalizowana, więc dominującą siłą stają się oddziaływania między elektronami. Intensywne interakcje elektron-elektron prowadzą do wielu silnie skorelowanych zjawisk elektronicznych, takich jak niekonwencjonalne nadprzewodnictwo.
„Odkrycie silnie skorelowanych elektronów w dwuwarstwowych urządzeniach grafenowych skręconych pod magicznym kątem zarówno zszokowało, jak i podekscytowało społeczność fizyków” – zauważa Le.
Te płaskie pasma są podwójnie zdegenerowane: to znaczy, że dwa różne stany kwantowe mają tę samą energię. Chiu i zespół wykazali teraz matematycznie, że wprowadzenie przestrzennie zmiennego pola magnetycznego powoduje powstanie dodatkowych magicznych kątów i płaskich pasm, które są poczwórnie (czterokrotnie) zdegenerowane.
„Ta większa degeneracja może potencjalnie prowadzić do jeszcze bardziej skorelowanych zjawisk” – mówi Le. „A faza magnetyczna oferuje dodatkowy, nowatorski stopień swobody w dostosowywaniu struktury pasma elektronicznego”.
Trwają poszukiwania innych materiałów wykazujących te zjawiska. „Będziemy systematycznie poszukiwać nowych platform obsługujących płaskie pasma” – mówi Chiu.
Odniesienie: „Podwójne i poczwórne płaskie pasma dostrojone przez alternatywne strumienie magnetyczne w skręconym dwuwarstwowym grafenie” autorstwa Congcong Le, Qiang Zhang, Fan Cui, Xianxin Wu i Ching-Kai Chiu, 13 czerwca 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.246401
