Onderzoekers van het Weizmann Institute of Science, het Barcelona Institute of Science and Technology en het National Institute for Material Science in Tsukuba (Japan) hebben onlangs een Chern-mozaïektopologie en Berry-krommingsmagnetisme in grafeen met een magische hoek onderzocht. Hun paper, gepubliceerd in Nature Physics , biedt nieuw inzicht over topologische wanorde die kan optreden in fysieke systemen van gecondenseerde materie.

"Magic angle twisted bilayer graphene (MATBG) heeft de afgelopen jaren enorm veel belangstelling getrokken vanwege de experimenteel toegankelijke platte banden, waardoor een speeltuin van sterk gecorreleerde fysica is ontstaan," Matan Bocarsly, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde , vertelde Phys.org:"Een dergelijke gecorreleerde fase die wordt waargenomen bij transportmetingen is het kwantum afwijkende Hall-effect, waarbij topologische randstromen aanwezig zijn, zelfs in de afwezigheid van een aangelegd magnetisch veld."

Het kwantum afwijkende Hall-effect is een aan ladingstransport gerelateerd fenomeen, waarbij de Hall-weerstand van een materiaal wordt gekwantificeerd tot de zogenaamde von Klitzing-constante. Het lijkt op het zogenaamde integer-kwantum Hall-effect, dat Bocarsly en zijn collega's uitgebreid hadden bestudeerd in hun eerdere werken, met name in grafeen en MATBG.

Voortbouwend op hun eerdere bevindingen, gingen de onderzoekers het kwantum afwijkende Hall-effect verder onderzoeken met behulp van de meetinstrumenten die ze het meest effectief vonden. Om dit te doen, gebruikten ze een scannend supergeleidend kwantuminterferentie-apparaat (SQUID), dat was gefabriceerd op de top van een scherpe pipet. Dit apparaat is een uiterst gevoelige lokale magnetometer (d.w.z. een sensor die magnetische velden meet), die beelden kan verzamelen op een schaal van 100 nm.

"Door de dragerdichtheid van ons monster te variëren, hebben we de respons van het lokale magnetische veld gemeten", legt Bocarsly uit. "Bij laag aangelegde velden is deze magnetische respons precies gecorreleerd met de interne orbitale magnetisatie van de Bloch-golffuncties, die wordt veroorzaakt door de Berry-kromming. Dus in wezen hebben we een lokale sonde die de lokale Berry-kromming meet."

Het rechtstreeks meten van het orbitale magnetisme veroorzaakt door lokale Berry-kromming in MATBG is een zeer uitdagende taak, die nog nooit eerder was bereikt. Dit komt omdat het signaal extreem zwak is, waardoor het de meeste bestaande magnetische meetinstrumenten ontwijkt.

Bocarsly en zijn collega's waren de eersten die dit ongrijpbare signaal direct meten. Tijdens hun experimenten observeerden ze ook een Chern-mozaïektopologie in hun monster, waarmee ze een nieuwe topologische stoornis in MATBG identificeerden.

"Het Chern-nummer, of de topologie van een elektronisch systeem, wordt algemeen beschouwd als een wereldwijde topologische invariant", zei Bocarsly. "We hebben waargenomen dat op een apparaatschaal (volgorde van microns), het C-nummer niet invariant is, maar wisselt tussen +1 en -1. Dit introduceert een nieuw type stoornis, topologische stoornis, in systemen van gecondenseerde materie waarmee rekening moet worden gehouden voor in apparaatfabricage en theoretische analyse."

De recente studie van dit team van onderzoekers draagt ​​in hoge mate bij aan het begrip van MATBG, zowel in termen van magnetisme als topologie. In de toekomst zou het de ontwikkeling van preciezere theoretische modellen van dit materiaal kunnen helpen, terwijl het mogelijk ook de implementatie ervan in verschillende kwantumcomputers zou vergemakkelijken.

"Onze lokale orbitale magnetisatiesonde met een laag veld kan ook worden gebruikt om andere fundamentele eigenschappen te onderzoeken, zoals het breken van de lokale tijdomkering van de symmetrie", voegde Bocarsly eraan toe. "Er zijn nog steeds veel open vragen over geheeltallige vultoestanden van MATBG en de symmetrieën die ze gehoorzamen, wat een interessante richting zou kunnen zijn voor toekomstig onderzoek." + Verder verkennen

De directe detectie van een topologische faseovergang door een tekenverandering in de Berry-krommingsdipool

© 2022 Science X Network