Une image optique de l'appareil créée par les chercheurs. Crédit :Jaoui et al.
Le graphène bicouche torsadé à angle magique (MATBG) est un matériau à base de graphène avec une structure unique, composé de deux feuilles de graphène superposées avec un désalignement d'environ 1,1°. Cette structure unique s'est avérée héberger divers états intéressants, y compris des états isolants corrélés et une supraconductivité non conventionnelle.
Des études antérieures examinant MATBG ont également dévoilé l'émergence de ce que l'on appelle un régime métallique "étrange" à proximité du dôme supraconducteur, ainsi qu'un couplage électron-phonon considérablement amélioré. Bien que ces observations aient été confirmées par des travaux ultérieurs, les mécanismes exacts qui les sous-tendent restent flous.
Des chercheurs de l'Institut des sciences et technologies de Barcelone, de l'Institut national des sciences des matériaux et du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont récemment examiné de plus près ces propriétés du MATBG en utilisant un diagramme de phase à basse température différent de ceux utilisés dans les travaux précédents. . Leur article, publié dans Nature Physics , ont recueilli de nouvelles informations précieuses sur le comportement critique quantique du matériau.
"Les premiers rapports sur les propriétés de transport électrique du graphène bicouche torsadé ont révélé deux caractéristiques fascinantes :l'émergence d'un régime métallique dit "étrange" à proximité du dôme supraconducteur et un couplage électron-phonon fortement amélioré", a déclaré Alexandre Jaoui, un des chercheurs qui ont mené l'étude, a déclaré à Phys.org. "Pourtant, les deux caractéristiques partagent, sous certaines conditions, une signature commune :une résistivité linéaire en température. Une question qui s'est posée était :un seul mécanisme microscopique, les électrons diffusant des phonons, peut-il expliquer les deux observations précédentes ? Ou est-ce que cette signature est , dans la région des basses températures, indiquant l'existence de centres de diffusion supplémentaires affectant les porteurs de charge ?"
Un diagramme de phase schématique de l'état fondamental métallique du graphène à angle magique dopé aux trous avec un seul dôme supraconducteur. Crédit :Jaoui et al.
Les réponses à ces questions jusqu'ici insaisissables ne peuvent être trouvées qu'en examinant le MATBG à basse température, où les phonons (c'est-à-dire les quasiparticules associées à des ondes telles que le son ou les vibrations) sont supprimés. Dans les dispositifs MATBG rapportés dans la littérature précédente, cependant, l'état fondamental métallique était généralement caché par un tableau de transitions de phase.
"Nous avons proposé de tirer parti de nos dispositifs" blindés ", dans lesquels les isolants corrélés sont supprimés, pour étudier le graphène à angle magique avec un diagramme de phase à basse température beaucoup plus simple :un seul dôme supraconducteur enfermé dans une phase métallique", a expliqué Jaoui. . "Cela nous a permis de nous concentrer sur ce dernier état."
Pour fabriquer leur structure MATBG, Jaoui et ses collègues ont utilisé une méthode "couper et empiler" souvent utilisée par les équipes de recherche examinant les hétérostructures 2D. Pour encapsuler leur appareil, ils ont utilisé une fine couche de nitrure de bore hexagonal (hBN).
"La proximité des couches de graphène avec la grille métallique nous permet de supprimer les états isolants à basse température et accorde ainsi un accès supplémentaire à l'état fondamental métallique", a déclaré Jaoui. "Nous avons ensuite collecté des mesures à l'aide de techniques conventionnelles de transport quantique (c'est-à-dire le transport électrique en courant continu)."
L'équipe de recherche qui a mené l'étude. De gauche à droite :Ipsita Das, Alexandre Jaoui, Jaime Díez-Mérida, Giorgio di Battista, Dmitri K. Efetov
Les mesures recueillies par Jaoui et ses collègues ont confirmé l'occurrence du même comportement métallique "étrange" rapporté dans les études précédentes (c'est-à-dire une résistivité linéaire en T avec un taux de diffusion planckien). Cependant, l'étude de l'équipe montre que ce comportement s'étend à des températures bien inférieures à la température de Bloch-Grüneisen alors que le système a une température de Fermi finie. De plus, leurs découvertes mettent en évidence une signature supplémentaire de métallicité étrange, à savoir une magnétorésistance linéaire améliorée.
"Cependant, la partie la plus intéressante de cette étude est peut-être la récupération du comportement archétypal d'un métal dilué et corrélé désordonné, le comportement du liquide de Fermi, loin du dôme supraconducteur", a déclaré Jaoui. "This evolution suggests that fluctuations of a yet-to-be-determined nature dominate the metallic ground state in the vicinity of the superconducting dome and drive the low-temperature linear resistivity."
Overall, the findings gathered by this team of researchers suggest that quantum fluctuations and superconductivity in MATBG might be related. In the future, their work could inspire new studies examining this possibility and the quantum-critical phase observed in this study further.
"We are now investigating the evolution of the metallic ground state as a function of the 'twist-angle' of twisted bilayer graphene," Jaoui added. "This is, in a very simplistic manner, a knob tuning the strength of the electronic correlations. We will soon publish further report on the metallic ground state of twisted bilayer graphene."
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