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菱面体石墨“扭曲”的超导体的新进展

信息来源:星火计划 发布时间:【2020-08-13 】 点击次数:
由曼彻斯特大学领导的国际研究小组揭示了一种纳米材料,该材料可反映出最初在称为扭曲双层石墨烯的复杂人造结构中发现的“魔角”效应,这是近年来物理学的重要研究领域。
 
这项新的研究表明,菱形六面体石墨的特殊拓扑结构有效地提供了一种内在的“扭曲”,因此提供了一种替代的介质来研究潜在的改变游戏规则的效应,例如超导性。这项研究的共同作者,石墨烯先驱教授安德烈·盖姆爵士说:“这是对广受欢迎的魔角石墨烯研究的有趣替代。”
 
曼彻斯特大学凝聚态物理教授Artem Mishchenko领导的研究小组于2020年8月12日在《自然》杂志上发表了研究结果。
 
米申科教授说:“菱形石墨可以帮助人们更好地理解其中重要的电子相关性很重要的材料,例如重费米化合物和高温超导体。”
 
二维材料研究中的前一步是好奇的行为,即将一层石墨烯彼此叠放并扭曲成“魔角”会改变双层的特性,从而将其变成超导体。
 
Mishchenko教授和他的同事现在已经观察到在弱稳定的菱形六面体形式的石墨中出现了强的电子-电子相互作用-石墨烯层与稳定的六边形形式的堆叠形式稍有不同。
 
扭曲的双层石墨烯中的相互作用对扭曲角异常敏感。与精确魔角的微小偏差约为0.1度,强烈抑制了相互作用。制造具有所需精度的设备极其困难,尤其是要找到足够均匀的设备来研究所涉及的令人兴奋的物理学。新发布的关于菱形六面体石墨的发现现在为精确制造超导体器件开辟了一条替代途径。
 
石墨是由堆叠的石墨烯层组成的碳材料,具有两种稳定的形式:六边形和菱形。前者更稳定,因此已被广泛研究,而后者则不那么稳定。
 
为了更好地理解新结果,重要的是要记住,在这两种形式的石墨中,石墨烯层以不同的方式堆叠。六角形石墨(铅笔芯中存在的碳形式)由石墨烯层组成,这些石墨烯层有序地堆叠在一起。亚稳态的菱面体形式的堆叠顺序略有不同,这种微小的差异导致其电子光谱发生了巨大变化。
 
 
 
先前的理论研究指出,在菱面体石墨的表面状态下,存在多种多样的多体物理学,包括高温磁有序性和超导性。但是,由于迄今为止完全缺乏材料上电子传输的测量值,因此无法验证这些预测。
 
曼彻斯特团队已研究六角形石墨膜已有多年,并已开发出先进的技术来生产高质量的样品。他们的技术之一涉及用原子平坦的绝缘体六方氮化硼(hBN)封装薄膜,该绝缘体用于保持所得hBN /六方石墨/ hBN异质结构的高电子质量。在关于菱面体石墨的新实验中,研究人员修改了他们的技术,以保留这种不稳定形式的石墨的易碎堆叠顺序。
 
研究人员使用拉曼光谱对他们的样品成像,该样品包含多达50层的石墨烯,以确认材料中的堆叠顺序保持完整并且是高质量的。然后,他们以传统方式测量了样品的电子传输性能-通过记录材料在改变温度和施加到其上的磁场强度时的电阻。
 
的能隙也可以在菱面体晶石墨的表面状态通过施加电场解释米先科教授开:“表面状态间隙开口,这是理论预测,也是样品的菱形性质的独立确认,由于六角形石墨禁止这种现象。”
 
在小于4nm的菱面体石墨中,即使不施加外部电场也存在带隙。研究人员说,他们还不确定这种自发的空位开口的确切性质(发生在“电荷中性”,即电子和空穴的密度达到平衡的点),但是他们正在忙于回答这个问题。
 
米申科教授补充说:“通过我们在量子霍尔机制下的实验,我们发现该间隙具有量子自旋霍尔性质,但是我们不知道电荷中性时的自发间隙开口是否是同一起源。” “在我们的情况下,该间隙的打开伴随着材料电阻的滞后行为,该滞后行为是所施加的电场或磁场的函数。这种滞后现象(电阻变化滞后于所施加的场)意味着存在不同的电子间隙相领域-这些是高度相关材料的典型代表。”
 
菱面体石墨的进一步研究可以使人们更深入地了解强关联的材料中的多体现象的起源,例如重金属化合物和高温超导体,仅举两个例子。

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