Новое исследование показывает, что особая топология ромбоэдрического графита эффективно обеспечивает встроенный "поворот" и, следовательно, предлагает альтернативную среду для изучения потенциально изменяющих игру эффектов, таких как сверхпроводимость. «Это интересная альтернатива очень популярным исследованиям графена под магическим углом», – сказал пионер графена профессор сэр Андре Гейм, соавтор исследования.
Команда под руководством Артема Мищенко, профессора физики конденсированных сред Манчестерского университета, опубликовала свои выводы в журнале Nature 12 августа 2020 года.
«Ромбоэдрический графит может помочь лучше понять материалы, в которых важны сильные электронные корреляции, такие как соединения с тяжелыми фермионами и высокотемпературные сверхпроводники», – сказал профессор Мищенко.
Предыдущим шагом вперед в исследовании двумерных материалов было любопытное поведение, когда наложение одного листа графена друг на друга и его скручивание под «магическим углом» изменяло свойства бислоя, превращая его в сверхпроводник.
Профессор Мищенко и его коллеги наблюдали появление сильных электрон-электронных взаимодействий в слабо стабильной ромбоэдрической форме графита – форме, в которой слои графена укладываются несколько иначе, чем в стабильной гексагональной форме.
Взаимодействия в скрученном двухслойном графене исключительно чувствительны к углу закрутки.
Крошечные отклонения около 0.1 градус от точного магического угла сильно подавляет взаимодействия. Чрезвычайно сложно изготавливать устройства с требуемой точностью и, особенно, найти достаточно однородные, чтобы изучать захватывающую физику.
Недавно опубликованные результаты исследования ромбоэдрического графита открыли альтернативный путь к точному созданию сверхпроводниковых устройств.
Графит, углеродный материал, состоящий из многослойных слоев графена, имеет две стабильные формы: гексагональную и ромбоэдрическую.
Первый более стабилен и поэтому тщательно изучен, а второй – менее.
Чтобы лучше понять новый результат, важно помнить, что слои графена уложены по-разному в этих двух формах графита. Гексагональный графит (форма углерода, встречающаяся в грифеле карандаша) состоит из слоев графена, упорядоченно уложенных друг на друга.
Метастабильная ромбоэдрическая форма имеет несколько иной порядок упаковки, и это небольшое различие приводит к резкому изменению ее электронного спектра.
Предыдущие теоретические исследования указывали на существование всех видов физики многих тел в поверхностных состояниях ромбоэдрического графита, включая высокотемпературное магнитное упорядочение и сверхпроводимость. Однако эти прогнозы не могли быть проверены, поскольку до сих пор полностью отсутствовали измерения переноса электронов на материале.
Команда Манчестера в течение нескольких лет изучала гексагональные графитовые пленки и разработала передовые технологии для производства высококачественных образцов. Один из их методов включает в себя капсулирование пленок атомарно-плоским диэлектриком, гексагональным нитридом бора (hBN), который служит для сохранения высокого электронного качества в получаемых гетероструктурах hBN / гексагональный графит / hBN. В своих новых экспериментах с ромбоэдрическим графитом исследователи изменили свою технологию, чтобы сохранить хрупкую укладку этой менее стабильной формы графита.
Исследователи визуализировали свои образцы, содержащие до 50 слоев графена, с помощью рамановской спектроскопии, чтобы подтвердить, что порядок укладки в материале остался неизменным и что он был высокого качества. Затем они измерили электронные транспортные свойства своих образцов традиционным способом – путем регистрации сопротивления материала при изменении температуры и силы приложенного к нему магнитного поля.
В поверхностных состояниях ромбоэдрического графита энергетическая щель может быть открыта путем приложения электрического поля, объясняет профессор Мищенко: «Открытие щели поверхностных состояний, которое было предсказано теоретически, также является независимым подтверждением ромбоэдрической природы образцов, поскольку такое явление запрещено в гексагональном графите."
В ромбоэдрическом графите тоньше 4 нм запрещенная зона присутствует даже без приложения внешнего электрического поля.
Исследователи говорят, что они еще не уверены в точной природе этого спонтанного открытия щели (которое происходит в «зарядовой нейтральности» – точке, в которой плотности электронов и дырок уравновешиваются), но они заняты работой над ответом на этот вопрос.
«Из наших экспериментов в квантовом режиме Холла мы видим, что щель имеет квантово-спиновую холловскую природу, но мы не знаем, имеет ли это же самое происхождение спонтанное раскрытие щели при зарядовой нейтральности», – добавляет профессор Мищенко. «В нашем случае это открытие зазора сопровождалось гистерезисным поведением сопротивления материала в зависимости от приложенных электрических или магнитных полей. Этот гистерезис (при котором изменение сопротивления отстает от приложенных полей) означает, что существуют различные электронные щелевые фазы, разделенные на домены – и они типичны для сильно коррелированных материалов."
Дальнейшее исследование ромбоэдрического графита могло бы пролить больше света на происхождение многочастичных явлений в сильно коррелированных материалах, таких как соединения с тяжелыми фермионами и высокотемпературные сверхпроводники, и это лишь два примера.