Каскад создает условия для сверхпроводимости в магии-угол витой бислоя графена

Появиться единый лист углерода на другой под небольшим углом и замечательными свойствами, в том числе высоко ценится сопротивления току известный как сверхпроводимость.

Теперь команда исследователей из Принстонского искал истоки этого необычного поведения в материала, известного как магия-угол витой бислоя графена, и обнаружил подписи каскада энергетические переходы, которые могли бы помочь объяснить, как возникает сверхпроводимость в этом материале. Этот документ был опубликован в Интернете 11 июня в журнале Nature.

«Это исследование показывает, что электроны в магии-угол графена находятся в сильной взаимосвязи государства еще до того, как материал становится сверхпроводящим», — сказал Али Яздани, класс 1909 профессор физики, руководитель команды, которая сделала открытие. «Внезапный сдвиг энергий, когда мы добавить или удалить электрон в этом эксперименте обеспечивает прямое измерение силы взаимодействия между электронами».

Это важно, потому что эти энергии, прыгает обеспечить окно в коллективное поведение электронов, таких как сверхпроводимость, которые возникают в магии-угол витой бислоя графена-материала, состоящего из двух слоев графена, в котором верхний лист повернут на небольшой угол относительно другой.

В повседневной металлов, электроны могут свободно двигаться через материал, но столкновений между электронами и от вибрации атомов порождают сопротивление и потеря некоторых электрическую энергию в виде тепла … поэтому электронные устройства нагреваться во время использования.

В сверхпроводящих материалах, электроны сотрудничать. «Электроны вроде танцуют друг с другом», — сказал Лянь Бяо, работал научным сотрудником в Принстон-Центр по теоретическому материаловедению, который станет помощником профессора физики этой осенью, и один из со-авторы первого исследования. «Они должны сотрудничать, чтобы пойти на такое замечательное государство».

По некоторым оценкам, магия-угол графена, обнаружил два года назад Пабло Jarillo-Herrero и его команда Массачусетского технологического института (MIT), является одним из самых сильных сверхпроводников когда-либо обнаруженных. Сверхпроводимость является относительно устойчивым в этой системе, даже если это происходит, когда существует очень мало свободно движущихся электронов.

Исследователи задались целью выяснить, как уникальная кристаллическая структура магии-угол графена позволяет коллективного поведения. Электроны не только имеют отрицательный заряд, а также двумя другими характеристиками: моментом импульса или «спин» и возможные движения в кристаллической структуре, известной как «Долина» государства. Комбинаций спина и долины составляют различные «ароматы» электронов.

Команда особенно хотел знать, как эти ароматы влияют на коллективное поведение, поэтому они проводили свои эксперименты при температурах чуть выше точки, в которой электроны становятся сильновзаимодействующих, который исследователи сравнивают с исходной фазы поведения.

«Мы измерили силу между электронами в материале при высоких температурах, в надежде, что понимание этой силы поможет нам понять сверхпроводник, что будет при более низких температурах», — сказал Диллон Вонг, сотрудник научный сотрудник Принстонского Центра комплексных материалов и со-первый автор.

Они использовали инструмент под названием сканирующий туннельный микроскоп, в котором электропроводный металлический наконечник может добавить или удалить электрон от магии-угол графена и обнаружить в результате энергетическое состояние этого электрона.

Потому что сильно взаимодействующие электроны сопротивляются добавление нового электрона, он стоит немного энергии, чтобы добавить дополнительный электрон. Исследователи могут измерить эту энергию и из нее определить сила взаимодействия.

«Я буквально поставив электрона и видя, сколько энергии стоит засунуть этот электрон в совместной бане», — сказал Кевин Nuckolls, аспирант кафедры физики, также со-первый автор.

Ученые обнаружили, что добавление каждого электрона вызвали скачок в количестве энергии, необходимой, чтобы добавить еще одну-что бы не было в случае если бы электроны были в состоянии идти в кристалл, а потом свободно перемещаться между атомами. В результате каскада энергии переходов в результате энергетического скачка для каждого из электронов ароматов-так как электроны должны взять на низшем энергетическом состоянии из возможных, хотя и не с одинаковой энергией и одинаковым вкусом, как и другие электроны в том же месте кристалла.

Ключевой вопрос в поле как сила взаимодействия между электронами, а также сравнить уровни энергии, которые электроны имели бы при отсутствии таких взаимодействий. В большинстве обычных и низкотемпературных сверхпроводников, это небольшая коррекция, но в редких высокотемпературных сверхпроводников, взаимодействие между электронами считается, что изменение энергетических уровней электронов резко. Сверхпроводимость в присутствии такого драматического влияния взаимодействия между электронами очень плохо понимают.

Количественные измерения внезапных изменений, обнаруженных исследователями, подтверждает картину, что магия-угол графен относится к классу сверхпроводников с сильным взаимодействием между электронами.

Графен представляет собой одноатомный-тонкий слой атомов углерода, который, благодаря химическим свойствам углерода, выстраиваются в плоской гексагональной решетке. Исследователи получения графена путем принятия тонкий блок графит-тот же чистый углерод, используемый в карандашах, и сняв верхний слой с помощью липкой ленты.

Затем они складывают два атома-тонких слоев и повернуть верхний слой ровно на 1,1 градуса-магия угол. Это приводит материал, чтобы стать сверхпроводящим, или достичь необычных изоляционные и магнитные свойства.

«Если вы находитесь на 1,2 градуса, это плохо. Это просто мягкий металл. Там ничего интересного не происходит. Но если вы на 1,1 градуса, вы видите все это интересное поведение,» Nuckolls сказал.

Этот перекос создает механизм, известный как муар за сходство с французским ткани.

Для проведения экспериментов исследователи создали сканирующий туннельный микроскоп в подвале здания физики Принстона, Jadwin зале. Такой высокий, что она занимает два этажа, микроскоп находится на вершине гранитной плите, которая плавает на пневморессоры. «Мы должны изолировать очень именно оборудование, потому что она чрезвычайно чувствительна к вибрациям», — сказал Myungchul О, работал научным сотрудником и co-первый автор.

Диллон Вонг, Кевин Nuckolls, Myungchul Ох, и Лянь Бяо способствовали в равной степени к работе.

Дополнительные взносы были произведены Yonglong Се, который заработал свой кандидат в 2019 году и сейчас научный сотрудник Гарвардского университета; Sangjun Чон, который сейчас является доцентом Чунг-Анг университета в Сеуле, Кэндзи Ватанабэ или Такаши Танигучи Национального института материаловедения (НИМС) в Японии; и профессор физики в Принстонском университете Б. А. Bernevig.

Подобный каскад электронных фазовых переходов была отмечена в статье, опубликованной одновременно в природе 11 июня авторским коллективом под руководством Шахаль Ilani в институт имени Вейцмана в Израиле и в Jarillo-Herrero и коллеги из Массачусетского технологического института, Такаши Танигучи и Кенджи Ватанабе НИМС Японии, и исследователи из Свободного университета Берлина.

«Команда Вайцмана обнаружили точно такие же переходы, как мы это делали с совершенно другой техникой», — сказал Яздани. «Приятно видеть, что их данные совместимы с нашими измерениями и наша интерпретация».

сделать разницу: спонсорские возможности