마법각 이중층 그래핀이 새로운 단계로 접어들다

전하 캐리어 밀도를 변경하는 것은 뒤틀린 이중층 그래핀을 초전도 및 상관 상태에서 조정한다.

 

2018년 MIT의 파블로 자릴로-헤레로와 그의 동료들은 마법각 이중층 그래핀에서 초전도성을 입증했다(물리학 오늘, 2018년 5월 15페이지 참조). 그래핀의 단층은 탄소 원자의 2차원 시트이며 그 자체로는 초전도가 아니다. 그러나 두 개의 시트(그림에서 파란색과 검은색)가 서로에 대해 직각 θ(약 1.1°)로 수직으로 쌓여 있으며, 초전도 전이는 약 1.7K이다. 마법은 그림에서 보는 바와 같이 기본 그래핀 격자보다 더 큰 길이 스케일로 형성되는 준주기 구조 또는 모이레 격자에 있다. 온도가 충분히 낮으면, 인가된 전압으로 그래핀 시트 또는 전하 캐리어 밀도 사이의 각도를 변경함으로써 결과적인 초전도 상태가 존재하거나 존재하지 않을 수 있다. 이러한 튜닝성 외에도 매직 앵글 그래핀의 초전도성은 온도와 캐리어 밀도의 관계가 높은 Tc 컵레이트의 관계와 유사하기 때문에 흥미롭다. 이제 스페인 바르셀로나에 있는 광과학 연구소의 드미트리 에페토프와 그의 동료들은 Jarillo-Herero의 결과를 복제했고 마법의 각도의 그래핀에서 훨씬 더 많은 상태를 발견했습니다. 고품질의 장치를 준비함으로써, 에페토프의 팀은 전자 위상을 더 정확하게 측정하고 이전에 숨겨져 있던 전자 상태를 해결할 수 있었다. 마법의 각도를 실현하기 위해, 연구원들은 확립된 기술을 사용한다: 그들은 그래핀 한 장을 가져다가 두 장으로 찢습니다. 그리고 나서 그들은 그 조각들 중 하나를 마법의 각도를 지나쳐 약 1.2° 회전시키고, 그것을 다른 것 위에 쌓습니다. 대부분의 전기 장치에서 마지막 단계는 샘플을 청소하고 층 사이의 기포를 제거하는 어닐링입니다. 그러나 마법의 각도 그래핀에서 층들이 작은 각도로 잘못 정렬된 상태에서 샘플을 가열하면 그래핀 층이 다시 정렬됩니다. 에페토프와 동료들은 어닐링 대신에, 두 번째 층을 첫 번째 층에 직접 떨어뜨리는 대신, 한 쪽 가장자리에서 시작하여, 점차 위 층을 아래로 굴렸다. 그 방법은 기포가 형성되는 대로 기포를 짜낸다. 그 결과 마법각 그래핀의 기록인 10 µm 장치에 대해 0.02°밖에 차이가 나지 않는 상대 각도가 생성됩니다. 전체적으로 제작이 까다롭다. 3개월 동안 시도한 결과 30개 장치 중 2개만 작동했다. 이 그룹은 인가된 전압이 음인지 양인지에 따라 광범위한 전자 또는 구멍 밀도에서 전기 저항을 측정했다. 그들은 매직 앵글 그래핀이 약 2 × 1012 cm-2의 구멍 밀도를 가졌을 때, 0.5 × 1012 cm-2만큼 낮은 구멍 밀도에서 세 개의 새로운 초전도 상태를 보았던 Jarillo-Herero와 같은 초전도 상태를 보았다. 원래 초전도 상태의 경우, 에페토프와 그의 동료들은 이전에 보고된 것보다 더 높은 3K의 전이 온도를 발견했다. 세 개의 새로운 초전도 상태는 수백 밀리켈빈에서 훨씬 더 낮은 전이 온도를 가지고 있었다.

초전도 체제 사이의 전하 캐리어 밀도에서 매직 앵글 그래핀은 개별 전하 캐리어 행동이 아닌 집단적인 행동으로 설명되는 상관 전자 또는 구멍 상태에서 저항 피크를 보였다. 상관관계가 있는 상태 중 3개는 절연 상태였고, 그 중 3개는 반금속으로 보였다. 비절연 상태 중 두 개는 체른 수가 1과 2인 위상학적으로 사소하지 않았다. (체른 수에 대한 자세한 내용은 조셉 에이브론, 다니엘 오사치, 루디 사일러의 기사, 물리학 투데이, 2003년 8월 38페이지 참조) 상관 상태는 그림에서 더 큰 육각형인 각각의 모이레 단위 셀에 대해 정수의 전자 또는 구멍이 있을 때 발생했다. 상태는 전자-전자 상호작용의 표현이며, 일부 유형의 초전도성을 포함한 물질의 다른 양자상도 마찬가지이다. 하지만 그래핀의 초전도성 이면의 메커니즘은 아직 알려지지 않았다. 그러나 이제 이론가들은 작업할 수 있는 많은 데이터를 가지고 있다.