Odkrywanie kwantowych tajemnic magicznego kąta dwuwarstwowego grafenu za pomocą bezprecedensowych wizualizacji oddziałujących elektronów.

Nowe badanie rejestruje zachowanie oddziałujących elektronów, które prowadzą do stanów izolacyjnych i rozwiązuje główną nierozwiązaną zagadkę w tej dziedzinie.

Naukowcy kierowani przez Princeton odkryli tajemnice interakcji elektronów w MATBG za pomocą zaawansowanej mikroskopii, torując drogę dla kwantowego postępu technologicznego.

Zespół badawczy kierowany przez naukowców z Uniwersytet Princetonzobrazował maleńkie mikroskopijne podstawy odpowiedzialne za wiele faz kwantowych obserwowanych w materiale znanym jako podwójna warstwa skręcona pod kątem magicznym. grafen (Matbega). Ten fascynujący materiał, składający się ze skręconych warstw atomów węgla ułożonych w dwuwymiarowy sześciokątny wzór, znalazł się w czołówce badań w fizyce, zwłaszcza w fizyce materii skondensowanej.

W szczególności naukowcy byli w stanie po raz pierwszy uchwycić niespotykanie dokładne wizualizacje mikroskopowego zachowania oddziałujących elektronów prowadzących do dielektrycznej fazy kwantowej MATBG. Ponadto dzięki zastosowaniu nowych i innowacyjnych technik teoretycznych byli w stanie wyjaśnić i zrozumieć te zachowania.

Kontekst historyczny

Pablo Jarillo Herrero i jego zespół z MIT (Instytut Technologii w Massachusetts) po raz pierwszy odkryli niezwykłe właściwości skręconego dwuwarstwowego grafenu w 2018 roku. Wykazali, że materiał ten może być nadprzewodnikiem, czyli stanem, w którym elektrony przepływają swobodnie bez żadnego oporu. Ten stan ma kluczowe znaczenie dla wielu urządzeń elektronicznych codziennego użytku, w tym magnesów używanych w MRI i akceleratorach cząstek, a także w tworzeniu bitów kwantowych (zwanych kubitami), które są używane do budowy komputerów kwantowych.

Obrazy o wysokiej rozdzielczości zmierzone za pomocą skaningowej mikroskopii tunelowej pokazują wzorce interferencji kwantowej w grafenie kątowo-magnetycznym. Sposoby, w jakie te wzorce zmieniają się w materii, mówią badaczom o mikroskopijnym pochodzeniu jej stanów kwantowych. Źródło: Kevin Nuckols, Grupa Yazdani, Uniwersytet Princeton

Od tego odkrycia skręcony dwuwarstwowy grafen wykazał wiele nowych kwantowych stanów fizycznych, takich jak stany dielektryczne, magnetyczne i nadprzewodzące, z których wszystkie powstają w wyniku złożonych interakcji elektronów.

Jak i dlaczego elektrony tworzą stany izolujące w MATBG jest jedną z głównych nierozwiązanych zagadek w tej dziedzinie. Rozwiązanie tej zagadki nie tylko pozwoli nam zrozumieć zarówno izolator, jak i pobliski nadprzewodnik, ale także zachowanie wielu niezwykłych nadprzewodników, które naukowcy starają się zrozumieć, w tym nadprzewodników wysokotemperaturowych.

„MATBG pokazuje wiele interesujących zagadnień fizyki na pojedynczej platformie materiałowej, z których wiele pozostaje słabo poznanych” – powiedział Kevin Nuckolls, współautor artykułu, który otrzymał tytuł doktora. w 2023 roku na Wydziale Fizyki w Princeton, a obecnie jest doktorem habilitowanym w Massachusetts Institute of Technology. „Ta faza buforowa, w której przepływ elektronów jest całkowicie zablokowany, była prawdziwą zagadką”.

Zrozumienie właściwości MATBG

Aby uzyskać pożądane efekty kwantowe, naukowcy ułożyli dwa arkusze grafenu jeden na drugim, trzymając górną warstwę pod niewielkim kątem. To nieakcentowane umieszczenie tworzy wzór mory, podobny do popularnego i tak zwanego francuskiego gobelinu. Jednak kąt, pod którym należy umieścić wierzchnią warstwę grafenu, wynosi dokładnie 1,1°. To jest „magiczny” kąt, który wytwarza efekt kwantowy. Oznacza to, że kąt ten tworzy dziwne, silnie skorelowane interakcje między elektronami w arkuszach grafenu.

Chociaż fizycy byli w stanie zademonstrować różne fazy kwantowe w tym materiale, takie jak faza nadprzewodząca o zerowej rezystancji i faza izolacji, bardzo niewiele wiadomo, dlaczego te fazy występują w MATBG. W rzeczywistości wszystkie poprzednie eksperymenty z udziałem MATBG dostarczają dobrych demonstracji Co System może produkować, ale nie Dlaczego System wytwarza te stany.

I to „dlaczego” stało się podstawą obecnego doświadczenia.

„Ogólną ideą tego eksperymentu jest to, że chcieliśmy zadać pytania o pochodzenie tych faz kwantowych – aby naprawdę zrozumieć, co dokładnie robią elektrony w skali atomowej grafenu” – powiedział Nuckols. „Możliwość badania materii pod mikroskopem i robienia zdjęć powiązanych stanów – w celu uzyskania ich podpisów, skutecznie daje nam możliwość jasnego i dokładnego rozpoznania mikroskopowego pochodzenia niektórych z tych faz. Nasze doświadczenie pomaga również teoretykom w poszukiwaniu faz, które nie spodziewano się”.

Zaawansowane techniki wyszukiwania

Badanie, opublikowane w numerze czasopisma z 16 sierpnia Naturajest zwieńczeniem dwóch lat pracy i został osiągnięty przez zespół z Uniwersytetu Princeton i Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley. Naukowcy wykorzystali moc skaningowego mikroskopu tunelowego (STM) do zbadania tego maleńkiego świata. Instrument ten opiera się na technice zwanej „tunelowaniem kwantowym”, w której elektrony przechodzą między ostrą metalową końcówką mikroskopu a próbką. Ten mikroskop wykorzystuje prąd tunelowy zamiast światła do oglądania świata elektronów w skali atomowej. Pomiary tych zdarzeń tunelowania kwantowego są następnie przekładane na bardzo czułe obrazy materiałów o wysokiej rozdzielczości.

Jednak pierwszym krokiem – i być może najważniejszym krokiem w sukcesie eksperymentu – było stworzenie czegoś, co naukowcy nazywają „oryginalną” próbką. Powierzchnia atomów węgla, z których składa się próbka skręconego dwuwarstwowego grafenu, nie powinna zawierać defektów ani niedoskonałości.

Ali Yazdani, profesor z 1909 roku, powiedział: „Technicznym osiągnięciem, które umożliwiło powstanie tego artykułu, była zdolność naszej grupy do uczynienia próbek tak czystymi pod względem czystości, że obrazy o wysokiej rozdzielczości, które widzisz w artykule, są możliwe”. Fizyk i dyrektor Centrum Materiałów Złożonych na Uniwersytecie Princeton. „Innymi słowy, musisz zrobić sto tysięcy atomów bez ani jednego defektu lub zaburzenia”.

Właściwy eksperyment polegał na umieszczeniu arkuszy grafenu pod właściwym „magicznym kątem” wynoszącym 1,1 stopnia. Następnie naukowcy umieścili ostrą metalową końcówkę STM na próbce grafenu i zmierzyli prąd kwantowo-mechanicznego tunelowania, gdy końcówka poruszała się przez próbkę.

„Elektrony w tej skali kwantowej to nie tylko cząstki, ale także fale” – powiedział Ryan Lee, absolwent Wydziału Fizyki Uniwersytetu Princeton i jeden z głównych autorów artykułu. „Zasadniczo obrazujemy falowe wzorce elektronów, gdzie dokładny sposób, w jaki się nakładają[na siebie]dostarcza nam bardzo konkretnych informacji o tym, co powoduje podstawowe stany elektronowe”.

Rozszyfruj zagadki ilościowe

Informacje te pozwoliły naukowcom dokonać pewnych ostatecznych interpretacji faz kwantowych wytwarzanych przez skręcony dwuwarstwowy grafen. Co ważne, naukowcy wykorzystali te informacje, aby skupić się i rozwiązać długotrwałą zagadkę, która od wielu lat stanowi wyzwanie dla naukowców pracujących w tej dziedzinie, a mianowicie fazę izolacji kwantowej, która ma miejsce, gdy grafen jest dostrojony do swojego magicznego kąta.

Aby pomóc zrozumieć to z teoretycznego punktu widzenia, naukowcy z Princeton połączyli siły z zespołem z University of California-Berkeley, kierowanym przez fizyków B. Andre Bernviga z Princeton i Michaela Zatella z Berkeley. Zespół ten opracował nową i innowacyjną ramę teoretyczną zwaną analizą „modułu lokalnego systemu”, aby zinterpretować obrazy STM i zrozumieć, co robiły elektrony – innymi słowy, jak wchodziły w interakcje – w fazie izolacji. Odkryli, że stan izolacji występuje z powodu silnego odpychania między elektronami na poziomie mikroskopowym.

„W dwuwarstwowym grafenie skręconym pod kątem magicznym wyzwaniem było modelowanie systemu” – powiedział Tomohiro Suejima, doktorant i teoretyk na UC Berkeley oraz jeden ze współautorów artykułu. „Istniało wiele konkurencyjnych teorii i nikt nie wiedział, która z nich jest poprawna. Nasz eksperyment z „odciskiem palca” był naprawdę kluczowy, ponieważ w ten sposób możemy zidentyfikować rzeczywiste interakcje elektroniczne, które prowadzą do fazy izolacji.”

Korzystając z tych ram teoretycznych, naukowcy byli w stanie po raz pierwszy zmierzyć obserwowane funkcje falowe elektronów. „Eksperyment oferuje nową metodę analizy mikroskopii kwantowej” – powiedział Yazdani.

Naukowcy sugerują, że technologia – zarówno obrazy, jak i ramy teoretyczne – może zostać wykorzystana w przyszłości do analizy i zrozumienia wielu innych faz kwantowych w MATBG, a ostatecznie do pomocy w zrozumieniu nowych i niezwykłych właściwości materiałów, które mogą być przydatne w następnym Pokolenie. Zastosowania technologii kwantowej.

„Nasz eksperyment był doskonałym przykładem tego, jak Matka Natura może być tak złożona – może być naprawdę myląca – dopóki nie masz odpowiednich ram, aby na to spojrzeć, a potem powiesz:„ Och, tak się dzieje ”- powiedział Yazdani.

odniesienie: „Kwantowe tekstury wielociałowych funkcji falowych w grafenie o magicznym kącie” Scenariusz: Kevin Nuckols, Ryan L. Lee, Myungchul Oh, Dillon Wong, Tomohiro Suejima, Jung-pyo Hong, Dumitru Kologoro, Jonah Herzog-Arbitmann, B. sierpień 2023 r Natura.
DOI: 10.1038/s41586-023-06226-x

Ta praca była wspierana głównie przez Inicjatywę EPiQS Fundacji Gordona i Betty Moore poprzez grant GBMF9469 oraz Biuro Podstawowych Nauk o Energii Departamentu Energii USA DE-FG02-07ER46419. Dalsze wsparcie prac eksperymentalnych zostało zapewnione przez National Science Foundation (NSF-MRSEC) poprzez granty Princeton Center for Complex Materials NSF-DMR2011750, NSF-DMR-1904442, ARO MURI (W911NF-21-2-0147) i ONR N00012 -21- 1-2592. Dodatkowe wsparcie zapewniło stypendium Fundacji Masason oraz Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, Biura Nauki, Narodowych Centrów Badań nad Informatyką Kwantową, Akceleratora Systemów Kwantowych; Wydział Fizyki Uniwersytetu Princeton; US Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, Division of Material Science and Engineering, w ramach kontraktu nr DE-AC02-05CH11231, w ramach programu Van der Waals Heterostructures Program (KCWF16); Fundacja Alfreda P. Sloana; Europejska Rada ds. Badań Naukowych (ERC) w ramach unijnego programu badań i innowacji Horyzont 2020 (grant 101020833), grant Office of Naval Research N00014-20-1-2303, grant Simons Investigator 404513 oraz Fundacja Gordona i Betty Moore w ramach inicjatywy EPiQS, przyznaje granty GBMF11070 i GBMF8685, grant BSF Israel USA Foundation 2018226, Princeton Global Network Funds; i stypendium Hertza. NR dziękuje za wsparcie QuantERA II, które otrzymało finansowanie z unijnego programu badań i innowacji Horyzont 2020 w ramach grantu 101017733. KW otrzymało finansowanie z inicjatywy Primary Strategy Initiative prowadzonej przez MEXT w Japonii, grant JPMXP0112101001, grant JSPS KAKENHI 19H05790 i JP20H00354.