De afgelopen jaren is veel natuurkundigen en materiaalwetenschappers over de hele wereld hebben onderzoek gedaan naar de eigenschappen en kenmerken van magic-angle twisted bilayer grafeen (MATBG). MATBG is een sterk gecorreleerd materiaal dat voor het eerst experimenteel werd gerealiseerd in 2018. Dit unieke materiaal herbergt een breed scala aan sterk gecorreleerde fasen, inclusief metalen, halfmetalen, Chern isolatoren, kwantum afwijkende haltoestanden en, misschien wel het meest interessant, supergeleiding.

Onderzoekers van de Universiteit van Californië, Berkeley (UC Berkeley) heeft onlangs een onderzoek uitgevoerd naar de effecten van uniaxiale heterostrain op het interactief fasediagram van MATBH. Hun bevindingen, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , suggereren dat kleine spanningswaarden leidden tot een faseovergang bij nultemperatuur tussen twee toestanden, namelijk de symmetrie-gebroken Kramers intervalley-coherente isolator en nematische halfmetaal fasen.

"Een belangrijk doel van ons vakgebied is om de oorsprong van supergeleiding in MATBG te begrijpen en het verantwoordelijke mechanisme uit te werken, "Daniël Parker en Tomo Soejima, twee van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerden, vertelde Phys.org via e-mail. "Echter, er is een belangrijke puzzel van het MATBG-fasediagram, wat elke poging om de aard van de supergeleiding te achterhalen bemoeilijkt, namelijk bij ladingsneutraliteit, sommige experimenten vinden een semimetallische toestand, terwijl andere isolatoren zien. Ons werk stelt voor dat een bepaalde faseovergang deze discrepantie kan oplossen."

Alle acties en veranderingen in MATBG vinden plaats in wat bekend staat als de actieve banden. Deze bands omvatten 2 Chern-bands, keer 2 valleien en keer 2 spins, voor een totaal van 8. Wetenschappers kunnen het aantal elektronen in het systeem eenvoudig experimenteel aanpassen, wat hen op zijn beurt in staat stelt om deze bands af te stemmen van helemaal leeg naar helemaal vol.

"Als analogie, men kan dit zien als het hebben van 8 emmers die gevuld kunnen worden met water, " legde Parker uit. "Voor een bepaalde hoeveelheid water, de MATBG kiest er een uit, en slechts één, manier om het water te verdelen. Bijvoorbeeld, als er twee emmers water zijn, dan kan MATBG ervoor kiezen om 2 emmers tot de rand te vullen, of om elk 4 emmers voor de helft te vullen. De fase van het systeem wordt gelabeld door twee dingen:1. hoe het water (elektronen) wordt verdeeld in de emmers (banden) en 2. hoe moeilijk is het om nog een druppel water toe te voegen (d.w.z. of het systeem isoleert of geleidt)."

Hoewel de isolerende of geleidende aard van een systeem vrij eenvoudig experimenteel kan worden afgeleid, de verdeling van elektronen in de banden van MATBH veel moeilijker te bepalen. In hun krant Parker, Soejima en hun collega's wilden onderzoeken wat er gebeurt als het aantal elektronen zodanig is dat het de lading van koolstofatomen annuleert (bekend als het ladingsneutraliteitspunt) of, bij het overwegen van de wateremmers-analogie, als de emmers voor de helft gevuld zijn met water.

Hoewel sommige eerdere onderzoeken die dit hebben onderzocht, isolerende toestanden hebben waargenomen (d.w.z. waar het moeilijk is om "nog een druppel" toe te voegen), anderen hebben in plaats daarvan metalen of halfmetalen toestanden waargenomen. Vanuit een theoretisch standpunt, eerder werk van Nick Bultinck en zijn medewerkers suggereert dat de isolerende toestand een Kramers-intervalley coherent (KIVC) toestand zou kunnen zijn. Om dit uit te leggen met behulp van de wateremmer-analogie, het zou zijn alsof alle emmers voor de helft gevuld waren, maar ze waren vreemd gekoppeld met een partner die alleen aan de linkerhelft was gevuld en de andere alleen aan de rechterkant.

"Verder werk van Bultinck en zijn collega's toonde aan dat deze toestand een mogelijke oorzaak is voor supergeleiding in MATBG, "Zeggen Parker en Soejima. "De alternatieve halfmetaalfase is veel conventioneler, waar de onderste helft van elke emmer is gevuld. De belangrijkste vraag die we wilden beantwoorden was waarom, toen de vorige theorie een KIVC-toestand voorspelde, men zou in plaats daarvan het halfmetaal kunnen observeren."

Een mogelijke reden voor de discrepanties in eerdere waarnemingen is dat verschillende apparaten enigszins verschillende Hamiltonianen hebben. Sommige teams konden een vereenvoudigd model van MATBG gebruiken, voor het eerst geïntroduceerd door Bistrizter en McDonald, om de eigenschappen van MATBG-monsters te onderzoeken.

Recent onderzoek, echter, onthulde dat in zijn oorspronkelijke vorm, het zogenaamde BM-model, legt geen niet-lokale tunneling vast die aanwezig is in DFT, uitlijning met hBN-substraat, en renormalisatie van vrije-fermion-bandstructuur, en andere effecten. Parker, Soejima en hun collega's wilden dus bepalen welk effect zou kunnen worden overwogen om de waargenomen discrepantie te verklaren.

"Bultinck had een scherp vermoeden dat stam de boosdoener zou kunnen zijn voor deze discrepantie, "Zeggen Parker en Soejima. "Terwijl er al een realistische manier was voorgesteld om spanning in MATBG te modelleren en het effect ervan op niet-interagerende bandstructuur (d.w.z. oplossing van de Hamiltoniaan zonder Coulomb-interactie) was onderzocht, het effect ervan op het fasediagram in aanwezigheid van interactie was tot nu toe niet onderzocht."

Om de door Bultinck geïntroduceerde hypothese te testen, de onderzoekers gebruikten twee complementaire numerieke technieken, bekend als zelfconsistente Hartree-Fock (HF) en densiteit-matrix renormalisatiegroep (DMRG). Hartree-Fock is een standaardbenadering waarin de belangrijkste effecten van elektron-elektron-interacties zijn verwerkt. Deze benadering is zeer flexibel; dus, het stelt onderzoekers in staat om grote systeemgroottes van cellen van 24 x 24 eenheden te onderzoeken.

"Omdat HF ​​een benadering is, er is altijd de enge mogelijkheid dat het een 'valse' fase produceert, " Parker en Soejima zeiden:"We hebben dus DMRG gebruikt om dit uit te sluiten. DMRG is een onpartijdige numerieke techniek die, met voldoende rekenkracht, zal de ware fase van het systeem bepalen. Het is niet triviaal om het te gebruiken voor 2D-systemen met langeafstandsinteracties zoals we die hier hebben. en vereist speciale technieken die door ons in een eerder artikel zijn ontwikkeld."

In vergelijking met HF-benadering, DMRG is langzamer, duurder en kan alleen worden gebruikt om kleine systemen te onderzoeken. Om betrouwbare resultaten te bereiken, Parker, Soejima en hun collega's besloten daarom om HF en DMRG samen te gebruiken, omdat HF ​​hen in staat stelde om het volledige fasediagram in kaart te brengen en DMRG om te verifiëren dat de HF-benadering correct was.

"De belangrijkste bevinding van ons werk is dat kleine hoeveelheden heterostrain (precies in het bereik van -0,1%-0,2%) de KIVC-fase kunnen vernietigen en vervangen door een halfmetaal, "Zeggen Parker en Soejima. "Elk vel grafeen dat in het laboratorium wordt gemaakt, staat altijd onder enige stress, die het in de ene richting comprimeert terwijl het in de andere wordt uitgerekt. In MATBG, men heeft de extra mogelijkheid van heterostrain, waarbij de bovenste laag wordt samengedrukt langs de rekas van de onderste laag, en vice versa."

Vroeger, sommige onderzoekers voerden experimenten uit om de heterostam in MATBG-monsters te meten en ontdekten dat deze klein was, variërend tussen 0,1% - 0,7%. Wanneer Parker, Soejima, en hun collega's begonnen dit onderwerp te verkennen, ze waren nogal sceptisch dat zo'n kleine hoeveelheid spanning bepaalde effecten zou hebben, dus hun resultaten kwamen als een verrassing voor hen.

"Een implicatie van onze bevindingen is dat stam een ​​belangrijke parameter is om experimenteel te karakteriseren, "Zeggen Parker en Soejima. "De experimentatoren die gedraaid dubbellaags grafeen maken en meten, doen ongelooflijk veel werk door met vele bronnen van fouten te jongleren en ze te controleren. Het elimineren van zo'n kleine hoeveelheid spanning is waarschijnlijk vreselijk lastig, maar we vermoeden dat iemand vroeg of laat een manier zal bedenken om het te doen."

Algemeen, de bevindingen suggereren dat spanning een belangrijke 'draaiknop' is in MATBG omdat het faseovergangen kan veroorzaken, daarom moet het waar mogelijk worden gemeten en gekarakteriseerd. Deze observatie zou belangrijke implicaties kunnen hebben voor toekomstig onderzoek in materiaalkunde, omdat het zou kunnen helpen om de prestaties van gedraaid dubbellaags grafeen te verbeteren.

"Ons volgende doel is om de oorsprong van supergeleiding in grafeen met een magische hoek te begrijpen, " zeiden Parker en Soejima. "Een intrigerend voorstel is dat het kan worden gemedieerd door quasideeltjes genaamd Skyrmions in plaats van de standaard fononen. Als dit inderdaad het geval is, we hopen dit te bevestigen door de tools die in dit werk worden gebruikt uit te breiden."

© 2021 Science X Network