Spojrzenie do wnętrza grafenowej kanapki

Od czasu pierwszego pomyślnego wytworzenia dwuwymiarowej struktury atomów węgla około 20 lat temu, grafen fascynował naukowców. Kilka lat temu odkryli oni, że dwie jego warstwy, lekko skręcone względem siebie, mogą przewodzić prąd elektryczny w zasadzie bez żadnych strat. W niedawnych latach odkrycie to skłoniło badaczy do bardziej szczegółowych testów takich materiałów. Ostatnim godnym uwagi przykładem jest lustrzano-symetrycznie skręcony grafen trójwarstwowy, w którym trzy powłoki są ułożone w stos z naprzemiennymi kątami skręcenia. Jest to pierwszy system, który można zarówno skutecznie dostroić za pomocą prostopadłego pola elektrycznego, jak i — co udowodniono doświadczalnie — wykazuje silne nadprzewodnictwo. „To czyni z grafenu trójwarstwowego ekscytującą platformę dla złożonej fizyki wielu ciał, ale natura obserwowanych, indukowanych interakcjami izolatorów, półmetali i nadprzewodnictwa pozostaje nieznana” — mówi Mathias Scheurer z Wydziału Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu w Innsbrucku.

W artykule opublikowanym w: „Physical Review X”, zespół kierowany przez Scheurera zbadał numerycznie i analitycznie diagram fazowy tego układu dla różnej liczby elektronów na komórkę elementarną oraz w funkcji pola elektrycznego. „Jest to bardzo trudny problem, ponieważ system ma zarówno pasma płaskie, jak i wysoce dyspersyjne” — wskazuje fizyk teoretyczny. „Niemniej udało nam się wykazać, że układ bazowy przy braku pola rozprzęga się na iloczyn stanu podstawowego i stanu podstawowego skręconego, dwuwarstwowego grafenu”, właściwość ta została następnie zarejestrowana w eksperymentach.



Ich wyniki dodatkowo potwierdzają dominację faz izolacyjnych i półmetalicznych w obecności pola elektrycznego, które są unikalne dla układu trójwarstwowego, tj. nie są realizowane w skręconym dwuwarstwowym grafenie. „Możemy wykorzystać nasz wynikowy diagram fazowy dla skorelowanych stanów normalnych, aby ograniczyć formę nadprzewodnika” — objaśnia Scheurer. „Wśród innych ciekawostek, otrzymane dwa potencjalne stany nadprzewodnictwa są zgodne z nieoczekiwaną stabilnością nadprzewodnika w polu magnetycznym obserwowaną w eksperymencie”.

Znaczenie tych odkryć dla fizyki skręconego, trójwarstwowego grafenu zostało dodatkowo potwierdzone późniejszą współpracą z grupą Abhay Pasupathy z uniwersytetu Columbia. W niedawnym artykule w: „Science” donoszą oni o danych ze skaningowej mikroskopii tunelowej (STM) w tym systemie. „Pokazujemy, że zmierzone widma tunelowania wykazują znaczące efekty interakcji, które można jakościowo uchwycić za pomocą danych liczbowych z naszej pracy” — podsumowuje Mathias Scheurer.

Źródło: https://phys.org/news/2022-04-glimpse-graphene-sandwich.html