En science des matériaux et en physique quantique, les bandes plates et les comportements corrélés au sein de l'« angle magique » du graphène bicouche torsadé (tBLG) ont suscité un intérêt considérable, bien que bon nombre de ses propriétés fassent l'objet d'un débat intense. Dans un nouveau rapport publié dans Avancées scientifiques , Emilio Codecido et ses collègues des départements de physique et de science des matériaux aux États-Unis et au Japon ont observé à la fois la supraconductivité et un état isolant semblable à celui de Mott dans un dispositif tBLG avec un angle de torsion d'environ 0,93 degrés. Cet angle était 15 pour cent plus petit que l'angle magique calculé (∼ 1,1°) dans les études précédentes. L'étude a révélé que la gamme « magique » du tBLG était plus large que prévu. Les travaux ont fourni une mine de nouvelles informations pour déchiffrer les phénomènes quantiques puissants au sein des dispositifs tBLG pour des applications en physique quantique.

Les physiciens définissent la « Twistronics » comme l'angle de torsion relatif entre les couches de van der Waals adjacentes pour produire un super-réseau moiré et des bandes plates dans le graphène. Le concept est apparu comme une approche nouvelle et particulièrement adaptée pour modifier et adapter de manière marquée les propriétés des dispositifs à base de matériaux bidimensionnels pour permettre le flux d'électricité. L'effet marqué de Twistronics est illustré par des travaux récents et révolutionnaires de chercheurs qui ont démontré l'émergence de bandes extrêmement plates lorsque deux couches de graphène monocouche étaient empilées à un angle de torsion magique de =1,1 ± 0,1°.

Dans le travail present, Codecido et al. ont observé expérimentalement une phase d'insulte à la moitié du remplissage de la première minibande du super-réseau (caractéristique structurelle) dans le dispositif de graphène bicouche torsadé (tBLG) à l'angle magique. L'équipe de recherche a identifié qu'il s'agissait d'un isolant de Mott (un isolant doté de propriétés de supraconductivité) présentant une supraconductivité à un dopage légèrement supérieur et inférieur. Le diagramme de phase a révélé des supraconducteurs à haute température entre la température de transition de la supraconductivité (Tc) et la température de Fermi (T F ). Le travail a suscité un énorme intérêt et un débat théorique sur le système semi-conducteur par rapport à la structure de la bande d'énergie, topologie et angles magiques supplémentaires du graphène. Par rapport aux rapports théoriques initiaux, les études expérimentales sont rares et commencent à peine à émerger.

Dans cette étude, l'équipe de recherche a effectué des mesures de transport d'un dispositif tBLG à angle magique présentant des états isolants et supraconducteurs corrélés. Ils ont obtenu de façon inattendue un angle de torsion à 0,93 ± 0,01, qui était 15 pour cent plus petit que l'angle magique déjà établi, tout en étant le plus petit rapporté à ce jour et présentant une supraconductivité. Ces résultats ont indiqué que les nouveaux états corrélés pourraient émerger dans le dispositif tBLG en dessous de l'angle magique primaire et au-delà de la première minibande de graphène.

Pour construire les appareils, l'équipe de recherche a utilisé l'approche « déchirer et empiler ». Ils ont encapsulé la construction entre des couches hexagonales de nitrure de bore (BN); modelé dans une géométrie de barre Hall avec plusieurs fils couplés à des contacts de bord Cr/Au (chrome/or). Ils ont fabriqué l'ensemble du dispositif au-dessus d'une couche de graphène qui a servi de porte arrière. Codecido et al. mesuré les appareils en He pompé ⁴ et il ³ cryostats utilisant des techniques de verrouillage standard à courant continu (CC) et à courant alternatif (CA). L'équipe a enregistré la résistance longitudinale du dispositif (Rxx) par rapport à une plage de tension de grille étendue (Vg) et a calculé le champ magnétique B à une température de 1,7 K. Ils ont observé que la petite asymétrie électron-trou était intrinsèque aux dispositifs tBLG, comme observé dans rapports précédents. L'équipe a noté les résultats pour détailler la plus petite valeur d'angle de torsion signalée à ce jour pour les dispositifs tBLG présentant une supraconductivité.

En examinant de plus près le diagramme du ventilateur de Landau, Codecido et al. obtenu un certain nombre de traits saillants. Par exemple, le pic à moitié rempli et la dégénérescence double des niveaux de Landau étaient cohérents avec les observations précédentes d'un état isolant corrélé de type Mott. L'équipe a montré la rupture de la symétrie approximative de la vallée de spin SU (4) et la formation d'une nouvelle surface de Fermi de quasi-particule. Cependant, les détails demandaient un examen plus délicat. Ils ont également observé l'émergence de la supraconductivité, qui a augmenté le Rxx (résistance longitudinale), semblable au travail précédent.

L'équipe a ensuite étudié la température critique (Tc) de la phase supraconductrice. Étant donné que les données n'ont pas été obtenues à un dopage optimal pour la supraconductivité dans cet échantillon, les scientifiques ont supposé que Tc pouvait atteindre 0,5 K. Cependant, l'appareil est devenu non fonctionnel avant qu'ils ne puissent obtenir des données claires de l'état supraconducteur. Pour approfondir l'étude de l'état supraconducteur, ils ont mesuré les caractéristiques tension-courant (V-I) à quatre bornes de l'appareil à différentes densités de porteurs. Ils ont obtenu des affichages de résistance et observé le supercourant pour une plage de densité étendue et ont montré la suppression du supercourant lors de l'application d'un champ magnétique parallèle. Pour mieux comprendre le comportement observé dans l'étude, Codecido et al. calculé la structure de bande moirée pour le dispositif tBLG en utilisant le modèle Bistritzer-MacDonald avec des paramètres affinés.

Contrairement aux calculs précédents de l'angle magique, l'équipe de recherche a montré que les bandes de Dirac moirées à basse énergie calculées n'étaient pas aussi énergétiquement isolées des bandes à haute énergie. Bien que l'angle de torsion de l'appareil soit plus petit que l'angle magique calculé ailleurs, l'appareil hébergeait des phénomènes (isolant de type Mott et supraconductivité) fortement corrélés avec les études précédentes. Les physiciens ont trouvé cela à la fois inattendu et souhaitable.

Lors d'une évaluation plus poussée du comportement à grande densité (le nombre d'états disponibles à chaque énergie), les scientifiques ont attribué les caractéristiques observées à un nouvel état isolant corrélé. Ils proposent des études supplémentaires délicates de la densité d'états (DOS) à l'avenir pour comprendre les états isolants exotiques et déterminer s'ils peuvent ou non être classés comme liquides de spin quantique.

De cette façon, Emilio Codecido et ses collègues ont observé une supraconductivité proche d'un état isolant de type Mott dans un dispositif bicouche torsadé à un petit angle de torsion (0,93°). Les travaux ont montré l'influence des corrélations électroniques sur les propriétés des super-réseaux moirés, même à des angles aussi petits et à des densités élevées. Les travaux futurs étudieront l'ordre de la vallée de spin des phases isolantes et des investigations à des températures plus basses dans leur recherche de nouvelles phases supraconductrices. Les études expérimentales seront couplées à des efforts théoriques pour comprendre les origines de ce comportement.

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