De Berry-kromming en het Chern-getal zijn cruciale topologische eigenschappen van kwantummechanische oorsprong die de elektronengolffunctie van materialen karakteriseren. Deze twee elementen spelen een zeer belangrijke rol bij het bepalen van de eigenschappen van specifieke materialen.

Hoewel veel studies hebben geprobeerd te bepalen hoe de Berry-kromming en het Chern-getal de eigenschappen van materialen beïnvloeden, kan het erg moeilijk zijn om ze in een experimentele setting te detecteren. Gedraaid dubbellaags grafeen, een materiaal dat bestaat uit twee gestapelde dubbellaagse grafeenkristallen, is een bijzonder veelbelovend platform om de Berry-kromming en vallei-Cern-nummers van topologische platte banden te manipuleren en zo hun effecten te bestuderen.

Onderzoekers van het Tata Institute of Fundamental Research, het Indian Institute of Technology en het Jawaharlal Nehru Center for Advanced Scientific Research onderzoeken al meer dan drie jaar de afstembare eigenschappen van gedraaid dubbellaags grafeen. In hun meest recente onderzoek, te zien in Nature Physics , waren ze in staat om direct een topologische overgang in een moiré-superrooster te detecteren door de tekenverandering in de Berry-krommingsdipool te regelen.

Dit artikel bouwt voort op de eerdere werken van prof. Mandar Deshmukh, gericht op gedraaid dubbel dubbellaags grafeen. Zo introduceerden de onderzoekers in een van hun eerdere onderzoeken strategieën om de Berry-kromming te detecteren, die ze vervolgens in hun recente experimenten toepasten.

"Voordat we aan dit project begonnen te werken, onderzocht de groep van prof. Amit Agarwal theoretisch verschillende Hall-bijdragen vanwege kwantummechanische effecten," vertelde Subhajit Sinha, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, aan Phys.org. "Op kerstavond 2020 schreef hij ons over het meten van het niet-lineaire Hall-effect in onze monsters. Een van onze gedraaide dubbellaagse grafeenmonsters was koud in een cryostaat, dus we besloten er metingen op te doen en te kijken of we alles. Misschien waren er een paar sterren uitgelijnd, want we hebben inderdaad een signaal gemeten!"

Nadat ze hun eerste waarnemingen en metingen hadden gevalideerd door verschillende kruiscontroles uit te voeren, kon het team met een hoge mate van zekerheid vaststellen dat ze in feite het niet-lineaire quantum Hall-effect hadden gemeten in hun gedraaide dubbellaagse grafeenmonster. Vervolgens voerden ze andere analyses uit in samenwerking met de onderzoeksgroep van prof. Amit om aan te tonen dat ze direct een topologische overgang hadden waargenomen.

In hun recente experimenten heeft de groep van prof. Mandar bij TIFR specifiek de niet-lineaire Hall-spanning gemeten in hun gedraaide dubbellaagse grafeenmonster. Dit is een niet-lineaire spanning die kan worden aangestuurd door een loodrechte elektrische stroom in het vlak in de Hall-bar-meting.

"Gewoonlijk ontwikkelt de Hall-spanning zich loodrecht op de stroomstroom wanneer een extern magnetisch veld loodrecht op het vlak van het monster wordt aangelegd." Sinha legde uit. "Interessant is dat het baanbrekende theoretische werk van Sodemann en Fu heeft aangetoond dat men ook een Hall-spanning kan hebben in de afwezigheid van een magnetisch veld, zelfs in niet-magnetische materialen als gevolg van topologische banden, en we hebben deze spanning gemeten."

Gecombineerd effect van een niet-nul Berry-kromming en kleine hoeveelheden spanning in een gedraaid dubbellaags grafeensysteem kan aanleiding geven tot wat bekend staat als de "Berry-krommingsdipool". Deze unieke meting genereert een niet-lineaire Hall-spanning die kwadratisch schaalt met de stroom die op een materiaalmonster wordt toegepast.

"We hebben een laagfrequente stroom aangelegd en de Hall-spanning gemeten met tweemaal de frequentie van de aangelegde stroom om de niet-lineaire Hall-spanning te detecteren," zei Sinha. "Vervolgens gebruikten we een schaalanalyse om een ​​tekenverandering in de Berry-krommingsdipool te detecteren, wat wijst op een topologische faseovergang."

Topologische faseovergangen zijn ongelooflijk moeilijk experimenteel te detecteren. Desalniettemin hebben veel theoretische en experimentele studies onlangs gesuggereerd op een overgang in de topologie van de banden van gedraaid dubbel dubbellaags grafeen. Het recente werk van het team biedt een directe observatie van deze faseovergang in een experimentele setting.

"Met behulp van transportmetingen hebben we deze topologische overgang direct gedetecteerd via een tekenverandering in de Berry-krommingsdipool", legt Sinha uit. "Dit geeft ons een experimenteel handvat om de geometrische fysica van de band en de topologische faseovergangen tegelijkertijd te onderzoeken."

De bevindingen die door dit team van onderzoekers zijn verzameld, kunnen een zeer belangrijke implicatie hebben voor de studie van topologische faseovergangen in gedraaid dubbel dubbellaags grafeen. In de toekomst kunnen de methoden die ze gebruikten helpen bij het detecteren van topologische overgangen in andere materialen en systemen.

"Een directe toekomstige richting voor ons werk kan zijn om onze techniek te gebruiken om de faseovergang in kaart te brengen als een functie van de draaihoek of stapelvolgorde", voegde Sinha eraan toe. "Bovendien hopen we dat onze methode ook zal worden geëmuleerd in andere 2D- of zelfs 3D-materialen om vergelijkbare topologische faseovergangen te karakteriseren. Over het algemeen groeit de onderzoeksinteresse in niet-lineaire Hall-effecten vanwege de vele voordelen, waaronder het onderzoeken van de band geometrische en topologische eigenschappen van materialen. We zullen moeten afwachten tot welke interessante wegen toegang hebben tot niet-lineaire effecten, terwijl ze zich ontvouwen." + Verder verkennen

Speciaal georiënteerd gedraaid dubbellaags grafeen herbergt topologische elektronische toestanden

© 2022 Science X Network