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话题

2D材料

2D材料

在三层石墨烯中看到的超导特征

TLG-hBN
装置。礼貌:陈国瑞

三层石墨烯(TLG)和六边形氮化硼(hBN)莫尔超晶格可能是研究强相关物理学并找到高温超导信号的理想平台。因此,劳伦斯·伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的研究人员说,他们已经观察到金属到莫特绝缘体和莫特到超导体的相变是二维异质结构材料中电子-电子相关强度的函数。

近年来,研究人员已经能够剥离和堆叠原子薄的2D材料,以制造合成量子材料,例如新型的范德华力异质结构。通过改变组成和层叠不同层状材料的方向以及通过静电门触点施加外部电场,它们可以方便地控制这些材料中大量电子之间的量子力学相互作用,从而控制其电子性能。 。

此类技术导致最近发现了所谓的相关绝缘态和超导性。 魔角扭曲双层石墨烯 (TBG)和ABC-TLG-hBN异质结构中的栅极可调Mott绝缘态。

哈伯德模型

了解高转变温度(高Tc)超导电性是电子在凝聚态物理中的一个重要目标,当电子克服其相互的电排斥力并形成相关的“库珀对”,然后不加注意地作为超电流穿过材料时,就会发生超导。如哈伯德模型所述,其中一种超导电性预计会出现的系统是掺杂的莫特绝缘子,该绝缘子将电子定义为在晶格上固定位置之间跳跃的费米-狄拉克粒子(费米子)。这些电子仅在占据相同的晶格位置时才相互作用。研究人员,由 王峰,因此决定研究ABC-TLG-hBN异质结构,因为它们被认为是研究此模型的理想平台。

研究人员通过使用干转移技术将脱落的ABC-TLG和hBN堆叠在hBN / ABC-TLG / hBN三明治中,从而形成了异质结构。他们通过以一定角度仔细对齐堆栈来组装堆栈,然后用霍尔杆几何结构从中制造出电子设备。他们通过一维边缘接触使TLG与非超导Cr / Au金属接触,然后沉积金属顶部电极以形成双栅极器件。这种布置意味着可以通过顶部金属电极和底部硅衬底来对结构进行选通。

Device structure

“这种双栅极配置使我们能够通过施加垂直电场来独立控制ABC-TLG / hBN异质结构的电子浓度和最小带宽, D”,研究主要作者陈国瑞解释说。 “这意味着我们可以控制单个器件中的电子-电子相互作用,因此可以看到从金属到Mott绝缘体和从Mott绝缘体到超导体的相变是电子-电子相关强度的函数。”

相图中的“圆顶”

研究人员在“相对” 5 K的高温下进行了实验,并在该材料的相图中观察到四分之一和一半的Mott绝缘相。这些分别对应于每个晶胞一个和两个孔。然后,他们将一个非常大的垂直电场-0.54 V / nm施加到掺杂了电子的四分之一莫特态时,将样品冷却至40 mK,并观察到超导电性(相图中的“圆顶”)。

“由于我们有两个参数(载流子掺杂, n和垂直电场 D),我们花了很多时间寻找应该出现超导的参数空间,因为我们不知道它在哪里,” Chen说道 物理世界.

这种异质结构与“魔角” TBG(在两个错位的石墨烯层上设计的实验平台-在接近1.1°的“魔角”处形成莫尔条纹)非常不同。” Chen说。 “当我们于2017年2月启动项目时,我们还没有听说过魔角TBG。”

schematic of moiré TLG

几个优点

“与这种材料相比,我们的TLG具有多个优势。首先,我们可以通过调节施加在材料上的垂直电场来调节材料的相关强度或其带宽。其次,TLG的莫尔纹比TBG的莫尔纹更均匀。第三,与TBG相比,TLG / hBN对扭曲角度的敏感度较低,而TBG只能在一个魔术角度工作。对于TLG,接近零的任何小角度都可以。最后,TLG / hBN提供了获取2D相关系统的更通用的途径。”

研究人员说,ABC-TLG / hBN超晶格中的电子行为应敏感地取决于电子-电子相互作用与最小带宽之间的相互作用。 “电子与电子的相互作用强度用U / t表示,其中U是这些相互作用的库仑能量,t是载流子跳变项–与固体的带宽成比例,” Chen解释说。 “因此,我们知道我们需要减少带宽以增强电子-电子相互作用。”

后续研究

该团队现在正忙于后续研究,以了解ABC-TLG / hBN中超导性的机制。 “例如,扫描隧道显微镜研究可以为我们提供有关相关阶段的更多信息,” Chen说。 “我们还在制作更高质量的样品,以增加超导性。 T材料。它的磁性能也非常重要,磁传输或直接磁化率测量可能对我们有帮助。”

Chen说,他和他的同事也对ABC-TLG / hBN的拓扑特性特别感兴趣。 “到目前为止,我们已经在材料中观察到铁磁具有量化的异常霍尔效应,其为Chern数为2的Chern绝缘体相。据我们所知,这是第一个这样的系统,其Chern数大于1。我们已将这些结果发布在 arXiv 对于在单一材料中发现超导性和拓扑现象感到非常兴奋。”

该研究在 性质 10.1038 / s41586-019-1393-y.

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者