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级联为魔角扭曲双层石墨烯超导奠定了基础
2020年10月29日    阅读量:     新闻来源:中国牛涂网 ntw360.com  |  投稿

将单层碳以微小角度放置在另一层碳上,会出现显着的特性,包括极为珍贵的无电阻电流,即超导性。


现在,普林斯顿大学的一个研究人员小组在一种称为魔术角扭曲双层石墨烯的材料中寻找了这种异常行为的起源,并检测出一系列能量跃迁的特征,这些特征可以帮助解释这种材料是如何产生超导电性的。该论文于6月11日在线发表在《自然》杂志上中国牛涂网ntw360.com


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“这项研究表明,魔角石墨烯中的电子甚至在材料变得超导之前就处于高度相关的状态,”发现这一发现的团队的负责人,1909年的物理学教授阿里·亚兹达尼说。“在这个实验中,当我们添加或删除电子时,能量的突然转变直接测量了电子之间相互作用的强度。”


这是很重要的,因为这些能量跃迁提供了进入电子的集体行为(例如超导性)的窗口,这些行为出现在魔角扭曲的双层石墨烯中,该石墨烯是由两层石墨烯组成的材料,其中顶层旋转了微小角度相对于其他。


在日常金属中,电子可以在材料中自由移动,但是电子之间的碰撞以及原子的振动会产生电阻,并导致一些电能作为热量损失,这就是电子设备在使用过程中变热的原因。


在超导材料中,电子相互配合。普林斯顿理论科学中心的博士后研究人员彪L说:“电子彼此之间是在跳舞,”他将于今年秋天成为物理学的助理教授,也是该研究的第一作者之一。“他们必须合作才能进入如此出色的状态。”


从某种程度上讲,两年前由Pablo Jarillo-Herrero及其团队在麻省理工学院(MIT)发现的魔角石墨烯是迄今发现的最强的超导体之一。即使在很少有自由移动的电子时会发生超导,该系统中的超导性也相对较强。


研究人员着手探索魔角石墨烯独特的晶体结构如何促进集体行为。电子不仅具有负电荷,还具有其他两个特征:角动量或“自旋”,以及晶体结构中可能的运动,称为“谷”态。自旋和谷的组合构成了电子的各种“风味”。


研究小组特别想知道这些味道如何影响集体行为,因此他们在略高于电子强烈相互作用的温度进行了实验,研究人员将其比作行为的母相。


普林斯顿复杂材料中心的博士后黄永龙说:“我们测量了材料在高温下的电子之间的力,希望是希望了解这种力将有助于我们理解它在低温下的超导体。”和共同第一作者。


他们使用了一种称为扫描隧道显微镜的工具,该工具中的导电金属尖端可以从魔角石墨烯中添加或去除电子,并检测该电子的最终能量状态。


由于相互作用强烈的电子会阻止新电子的添加,因此添加额外的电子会花费一些能量。研究人员可以测量这种能量,并据此确定相互作用力的强度。


也是第一作者之一的物理学系的研究生凯文·纳克尔斯(Kevin Nuckolls)说:“我实际上是在放一个电子,并看到将这种电子推入协作槽需要多少能量。”


研究小组发现,每个电子的添加导致添加另一个电子所需的能量跃升-如果电子能够进入晶体然后在原子之间自由移动,情况就不会如此。能量跃迁的级联是由于每种电子风味的能量跃迁而产生的-因为电子需要呈现尽可能低的能量状态,同时又不具有与其他电子相同的能量和风味。水晶。


该领域中的一个关键问题是,电子之间相互作用的强度与没有这种相互作用时电子所具有的能级相比如何。在大多数普通的低温超导体中,这是一个很小的修正,但是在稀有的高温超导体中,据信电子之间的相互作用会极大地改变电子的能级。在电子之间的相互作用如此剧烈的影响下,超导性的了解还很少。


研究人员检测到的突然位移的定量测量结果证实了幻角石墨烯属于电子之间具有强相互作用的超导体类别。


石墨烯是碳原子的单原子薄层,由于碳的化学性质,石墨烯将它们自身排列在平坦的蜂窝状晶格中。研究人员通过获取一薄层石墨(与铅笔所用的纯碳相同)并使用胶带除去顶层来获得石墨烯。


然后,他们堆叠两个原子薄层,并将顶层精确旋转1.1度-魔角。这样做会使材料变得超导,或获得异常的绝缘或磁性。


Nuckolls说:“如果处于1.2度,那是不好的。它只是一种乏味的金属。没有什么有趣的事情发生。但是,如果处于1.1度,您会看到所有这些有趣的行为。”


这种未对准会产生一种类似于莫尔纹的布置,类似于法国织物。


为了进行实验,研究人员在普林斯顿大学物理大楼Jadwin Hall的地下室中建立了扫描隧道显微镜。显微镜是如此之高以至于占据了两层,显微镜位于一块花岗岩板上,该花岗岩板漂浮在空气弹簧上。博士后研究助理,第一作者,共同作者Myungchul Oh说:“我们需要非常精确地隔离设备,因为它对振动非常敏感。


黄狄龙(Dillon Wong),凯文·纳克尔斯(Kevin Nuckolls),吴明哲(Myungchul Oh)和标莲(Biao Lian)对这项工作做出了同样的贡献。


谢永龙(Yonglong Xie)获得了博士学位,他也做出了贡献。于2019年毕业,现在是哈佛大学的博士后研究员;尚俊俊(Sangjun Jeon),现在是首尔中英大学的助理教授;日本国立材料科学研究所(NIMS)的渡边谦二(Kenji Watanabe)和谷口隆(Takashi Taniguchi);普林斯顿大学物理学教授B. Andrei Bernevig。


以色列魏兹曼科学研究所的Shahal Ilani领导的一个团队在6月11日同时发表在《自然》杂志上的一篇论文中注意到了类似的电子相变级联,该论文由麻省理工学院的Jarillo-Herrero及其同事,Takashi Taniguchi和Kenana Watanabe组成。 NIMS Japan和柏林自由大学的研究人员。


Yazdani说:“ Weizmann团队观察到的过渡与我们使用完全不同的技术所做的过渡相同。” “很高兴看到他们的数据与我们的测量和我们的解释都兼容。”



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