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verdrehtes Doppelschichtgraphen mit magischem Winkel

Aug 20, 2020

Elektronische Materialien sind Materialien mit wertvollen elektrischen Eigenschaften. Sie fördern den Fortschritt der Physik der kondensierten Materie, indem sie uns die bisher unbekannten Quantenzustände von Materialien zeigen, von Supraleitern bis zu topologischen Isolatoren. Im Wesentlichen hängen die Eigenschaften elektronischer Zustände von der Elektronendichte und der Stärke der Elektronenwechselwirkung ab. Wie vorhergesagt [1] fanden die Forscher 2018 heraus, dass die Struktur mit der Bezeichnung&"Magic Angle Twisted Bilayer Graphene (Matbg)" ein schmales elektronisches Band aufweist, in dem die Elektronenwechselwirkung sehr wichtig ist [2]. Matbg gehört zu einer Art übernatürlicher Materialplattform. Durch Einstellen der Elektronendichte in situ kann matbg zwischen dem isolierenden und dem supraleitenden Zustand umschalten [3]. Kürzlich haben Stepanov et al. [4] und Arora et al. [5] veröffentlichten einen Artikel in der Natur, dass die Elektronenwechselwirkungsstärke von Matbg durch eine speziell entwickelte dielektrische (isolierende) Umgebung unter der Bedingung einer konstanten Elektronendichte reguliert werden kann.

Im Prinzip gibt es viele Möglichkeiten, die Elektronendichte von Materialien zu regulieren, beispielsweise das Einbringen von Verunreinigungen (auch als&"Dotierstoffe GG" bekannt) oder die Verwendung von Elektroden, die als&"Gates GG" bezeichnet werden. Alle diese Modifikationen beeinflussen jedoch mehr als die Elektronendichte. Beispielsweise kann die chemische Dotierung eines Materials seine Struktur leicht ungeordneter machen. Unabhängig von der Schwierigkeit des Gating kann sich die Elektronendichte nur geringfügig ändern, selbst wenn dies realisiert werden kann. Insgesamt ist es sehr schwierig, die unterschiedlichen Eigenschaften elektronischer Zustände in der Kinematik bzw. Korrelation bei der Regulierung der Elektronendichte zu steuern.

Im Vakuum kann die Stärke der Elektronenwechselwirkung durch die physikalische Konstante der Feinstrukturkonstante beschrieben werden. Die Elektronenwechselwirkung in einem Material wird jedoch stark von den umgebenden Elektronen beeinflusst, was auch als Screening bezeichnet wird. Seitdem die Fermi-Flüssigkeitstheorie [6] (ein Modell der Elektronenwechselwirkung) vorgeschlagen wurde, ist die Abschirmquantentheorie von Metallen und Halbleitern zu einer der am häufigsten vorkommenden und verfeinerten Forschungsrichtungen auf dem Gebiet der korrelierten elektronischen Physik geworden [7]. Dies liegt daran, dass Universalität und Modellspezifität in Wechselwirkungen mit abgeschirmten Elektronen miteinander verflochten sind.

In den meisten leitenden Schichtmaterialien ist die Elektronendichte der einzige einstellbare experimentelle Parameter, um die Wechselwirkungsstärke zu ändern. Die Leiterschicht besteht normalerweise aus einer Elektronenbahn (dem Raumbereich, in dem Elektronen existieren können) mit einer räumlichen Ausdehnung von nur 1 nm. Da sein inhärenter Elektronenabschirmungseffekt stark von der Elektronendichte beeinflusst wird, ist dieser Abschirmungseffekt häufig stärker als jeder Effekt, der durch die dielektrische Umgebung um die Leiterschicht erzeugt wird.

Stepanov et al. Und Arora et al. Haben gezeigt, dass die Intensität der Elektronenwechselwirkung in matbg reguliert werden kann, während die Elektronendichte unverändert bleibt. Matbg besteht aus zwei Schichten Graphen (zweidimensionales Kohlenstoffatomblatt) mit hexagonalem Gitter. Der Winkel zwischen den beiden Schichten beträgt ca. 1,1 °. Die Anordnung dieser Atome führt zu einer periodischen Struktur, die als Moiré-Streifen bezeichnet wird, wobei die räumliche Skala der Zelle (die kleinste sich wiederholende Einheit), dh die räumliche Skala der Elektronenbahn, die dem schmalen Elektronenband entspricht, 15 nicht überschreitet Nanometer (siehe Abbildung 1a). Da diese Orbitale viel größer sind als die herkömmlicher elektronischer Materialien, kann die dielektrische Umgebung von Matbg die Elektronenabschirmung und damit die Elektronenwechselwirkung stark beeinflussen.

Die beiden Teams verwendeten unterschiedliche Wege für den dielektrischen Aufbau von Matbg. Stepanov et al. Benutzte dieBornitridSchicht als Spalt zwischen der Matbg- und der Graphit-Abschirmschicht (die Elektrizität wie ein Metall leiten kann) und veränderte die Dicke der Bornitridschicht. Arora et al. Verwendete einen ähnlichen Aufbau, fügte jedoch eine zusätzliche Schicht Wolframdisulfid zwischen Graphen und Bornitrid hinzu. Der Effekt der dielektrischen Regulation ist bei Stepanov et al. Unter diesen kann die Graphitabschirmschicht als die Einführung von Bildladung (unterschiedliche Vorzeichenladung der Graphitladung) in Matbg angesehen werden. Wenn die Dicke des Bornitridabstands geringer ist als die Raumskala der Mohr-Gitterelektronenbahn, ist der Abschirmeffekt sehr signifikant.

Alles in allem stellen diese Ergebnisse das bisherige Verständnis in Frage: Ob die spezifische Beobachtung von Matbg zu einer Art unkonventioneller Supraleitung gehört? Obwohl es noch etwas früh ist, eine Schlussfolgerung zu ziehen, kann eine einfachere Erklärung vernünftiger sein. Diese Erklärung schließt Theorien ein, die den ferromagnetischen Effekt von Quanten-Hall-Bahnen und den herkömmlichen Supraleitungsmechanismus betreffen, der durch Elektronenphononenkopplung (Gitterschwingung) verursacht und möglicherweise durch Elektronenkorrelation ergänzt wird.

Diese Erfolge haben ein großes Potenzial, den Fortschritt der Grundlagenforschung zu fördern und das Verständnis des Mechanismus vor neue Herausforderungen zu stellen. Daher sollten ähnliche Untersuchungen an anderen Materialien durchgeführt werden. Die experimentellen Ergebnisse verschiedener Matbg-Proben unterscheiden sich stark, was zu dem Problem der Wiederholbarkeit führt [8]. Es kann dringender sein, dieses Problem zu lösen, da die dielektrische Struktur eine größere Probenabweichung erzeugt. Quantenelektronische Materialien werden in Bezug auf Wechselwirkung und Dichte immer kontrollierbarer, was mit Syntheseplattformen wie der Abscheidung ultrakalter Atomgase auf optischen Gittern Schritt hält. Infolgedessen werden wir bald die große Entdeckung steuerbarer quantenelektronischer Materialien miterleben können.