Stări cuantice neobișnuite în grafenul cu șase straturi oferă indicii despre superconductivitate
Cercetătorii de la Universitatea Cornell din Statele Unite, Institutul Național de Știința Materialelor din Japonia și Institutul Max Planck pentru Structura și Dinamica Materiei din Germania au investigat proprietățile grafenului romboedric cu șase straturi, un material format din șase foi de grafen decalate lateral într-un model repetitiv. Rezultatele, publicate în Nature Physics, raportează diverse stări cuantice ale acestui material în diferite condiții.
„Descoperirea noastră a fost oarecum neașteptată”, a declarat Xiaomeng Liu, autor principal al studiului. „Am pornit inițial să studiem grafenul romboedric răsucit, sperând să creăm benzi topologice izolate. Cu toate acestea, într-un dispozitiv realizat prin suprapunerea a două foi de grafen cu trei straturi, straturile s-au aliniat, formând grafen romboedric cu șase straturi.”
Măsurătorile inițiale efectuate pe acest material au sugerat un comportament care nu fusese raportat în studiile anterioare dedicate grafenului cu cinci straturi. Acest lucru i-a determinat pe cercetători să exploreze diagrama de faze a materialului, un grafic care descrie stările pe care le parcurge un material în diferite condiții.
„Am fost în mod deosebit intrigați de un regim semimetalic puternic corelat, în care electronii și golurile coexistă și interacționează”, a explicat Liu.
Pregătirea dispozitivului și măsurătorile efectuate
Cercetătorii au pregătit mai întâi materialul cu șase straturi de grafen stivuite într-un model romboedric, prin separarea unor fulgi subțiri din grafit și identificarea acestei configurații specifice de stivuire între fulgii izolați. Stiva de grafen cu șase straturi a fost plasată între straturi izolatoare de nitrură de bor hexagonală, cu porți pe bază de grafit atât deasupra, cât și dedesubtul acesteia.
Echipa a măsurat apoi cât de ușor circulă electricitatea prin dispozitivul bazat pe grafen cu șase straturi, variind temperatura, câmpul magnetic aplicat și numărul de purtători de sarcină din interiorul acestuia. De asemenea, au măsurat fluxul de electricitate în timp ce direcționau un câmp electric de intensitate variabilă prin stivă, de la o parte a straturilor de grafen la cealaltă.
„O rezistență electrică care dispare a relevat superconductivitatea, în timp ce un răspuns Hall anormal a oferit dovezi ale magnetismului orbital provenit din mișcarea orbitală a electronilor”, a explicat Liu. „Am măsurat, de asemenea, oscilații cuantice, variații ale rezistenței în funcție de câmpul magnetic care ne permit să reconstruim suprafața Fermi și să identificăm tipurile de purtători de sarcină prezenți.”
Stări electronice identificate și magnetism orbital
Echipa a identificat în cele din urmă diverse stări electronice în dispozitivul lor cu grafen cu șase straturi, inclusiv stări izolatoare determinate de interacțiuni, regiuni ale diagramei de faze cu comportament superconducting și două tipuri diferite de magnetism orbital. Două dintre stările de tip superconducting observate au apărut în mod specific în condițiile în care purtătorii de tip electron și de tip gol coexistau, ceea ce sugerează că ambele tipuri de purtători ar putea contribui la formarea lor.
„Principala noastră descoperire este identificarea unei noi stări superconductoare și a unui nou magnet orbital multiferroic în grafenul romboedric cu șase straturi”, a afirmat Liu. „Ambele apar într-un regim semimetalic puternic corelat, în care electronii și golurile coexistă și interacționează. Rezultatele noastre sugerează că interacțiunile dintre aceste două tipuri de purtători de sarcină joacă un rol central în formarea acestor stări neobișnuite.”
Direcții viitoare de cercetare
Studiul evidențiază potențialul grafenului cu șase straturi pentru studierea apariției superconductivității și a comportamentului magnetic determinat de interacțiunile electronice. Alte echipe de cercetare ar putea prelua aceste rezultate pentru a investiga în continuare diagrama de faze a grafenului romboedric cu șase straturi.
Liu și colegii săi investighează în prezent starea magnetică orbitală multiferroică observată în dispozitivul lor. Mai exact, ei încearcă să înțeleagă modul în care electronii și interacțiunile lor contribuie la apariția acestei stări la scară microscopică.
„Cercetarea noastră în curs ridică posibilitatea ca unii purtători să formeze un cristal de electroni, în timp ce alții să rămână într-o stare conductoare, asemănătoare unui lichid”, a adăugat Liu. „Strângem dovezi suplimentare pentru a determina dacă acest cristal produce magnetism orbital și dacă ar putea realiza un solid electronic topologic. Acestea rămân întrebări deschise care depășesc concluziile stabilite în prezentul studiu.”
