In 2018 werd ontdekt dat twee lagen grafeen die onder een "magische" hoek ten opzichte van elkaar zijn gedraaid, een verscheidenheid aan interessante kwantumfasen vertonen, inclusief supergeleiding, magnetisme en isolerend gedrag. Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers van het Weizmann Institute of Science onder leiding van prof. Shahal Ilani van de afdeling Condensed Matter Physics, in samenwerking met de groep van Prof. Pablo Jarillo-Herrero aan het MIT, hebben ontdekt dat deze kwantumfasen afstammen van een voorheen onbekende hoogenergetische "oudertoestand" met een ongewone symmetriebreking.

Grafeen is een plat kristal van koolstof, slechts één atoom dik. Wanneer twee vellen van dit materiaal op elkaar worden geplaatst, verkeerd uitgelijnd onder een kleine hoek, er verschijnt een periodiek "moiré"-patroon. Dit patroon vormt een kunstmatig rooster voor de elektronen in het materiaal. In dit gedraaide dubbellaagse systeem komen de elektronen in vier "smaken":spins "omhoog" of "omlaag, " gecombineerd met twee "dalen" die hun oorsprong vinden in het hexagonale rooster van het grafeen. Als resultaat, elke moiré-site kan maximaal vier elektronen bevatten, een van elke smaak.

Terwijl onderzoekers al wisten dat het systeem zich als een eenvoudige isolator gedraagt ​​wanneer alle moiré-sites helemaal vol zijn (vier elektronen per site), Jarillo-Herrero en zijn collega's ontdekten tot hun verbazing, in 2018, dat onder een specifieke "magische" hoek, het getwiste systeem wordt ook isolerend bij andere integere vullingen (twee of drie elektronen per moiré-plaats). Dit gedrag, tentoongesteld door magische hoek gedraaid dubbellaags grafeen (MATBG), kan niet worden verklaard door de fysica van enkelvoudige deeltjes, en wordt vaak beschreven als een "gecorreleerde Mott-isolator". Nog verrassender was de ontdekking van exotische supergeleiding in de buurt van deze vullingen. Deze bevindingen leidden tot een golf van onderzoeksactiviteiten om de grote vraag te beantwoorden:wat is de aard van de nieuwe exotische staten die zijn ontdekt in MATBG en soortgelijke verwrongen systemen?

Grafeenelektronen met een magische hoek in beeld brengen met een koolstofnanobuisdetector

Het Weizmann-team probeerde te begrijpen hoe interagerende elektronen zich gedragen in MATBG met behulp van een uniek type microscoop die gebruikmaakt van een koolstofnanobuis-transistor met één elektron, gepositioneerd aan de rand van een cantilever voor scannende sondes. Dit instrument kan beeld, in de echte ruimte, de elektrische potentiaal geproduceerd door elektronen in een materiaal met extreme gevoeligheid.

"Met dit hulpmiddel konden we ons voor het eerst de 'samendrukbaarheid' van de elektronen in dit systeem voorstellen - dat wil zeggen, hoe moeilijk het is om extra elektronen in een bepaald punt in de ruimte te persen, " legt Ilani uit. "In grote lijnen, de samendrukbaarheid van elektronen weerspiegelt de fase waarin ze zich bevinden:in een isolator, elektronen zijn onsamendrukbaar, terwijl ze in een metaal zeer samendrukbaar zijn."

Samendrukbaarheid onthult ook de "effectieve massa" van elektronen. Bijvoorbeeld, in gewoon grafeen zijn de elektronen extreem "licht, " en gedragen zich dus als onafhankelijke deeltjes die de aanwezigheid van hun mede-elektronen praktisch negeren. In grafeen met een magische hoek, anderzijds, Er wordt aangenomen dat elektronen extreem "zwaar" zijn en hun gedrag wordt dus gedomineerd door interacties met andere elektronen - een feit dat veel onderzoekers toeschrijven aan de exotische fasen die in dit materiaal worden gevonden. Het Weizmann-team verwachtte daarom dat de samendrukbaarheid een heel eenvoudig patroon zou vertonen als een functie van elektronenvulling:uitwisseling tussen een zeer samendrukbaar metaal met zware elektronen en onsamendrukbare Mott-isolatoren die verschijnen bij elke geheeltallige moiré-roostervulling.

Tot hun verbazing, ze observeerden een heel ander patroon. In plaats van een symmetrische overgang van metaal naar isolator en terug naar metaal, ze zagen een scherpe, asymmetrische sprong in de elektronische samendrukbaarheid nabij de gehele vullingen.

"Dit betekent dat de aard van de dragers voor en na deze overgang duidelijk verschillend is, " zegt hoofdauteur Uri Zondiner. "Voor de overgang zijn de dragers extreem zwaar, en daarna lijken ze extreem licht, doet denken aan de 'Dirac-elektronen' die aanwezig zijn in grafeen."

Hetzelfde gedrag werd waargenomen bij elke vulling van een geheel getal, waar zware dragers abrupt begaven en lichte Dirac-achtige elektronen weer tevoorschijn kwamen.

Maar hoe is zo'n abrupte verandering in de aard van de dragers te begrijpen? Om deze vraag te beantwoorden, het team werkte samen met Weizmann-theoretici Profs. Erez Berg, Yuval Oreg en Ady Stern, en Dr. Raquel Quiroez; evenals Prof. Felix von-Oppen van de Freie Universität Berlin. Ze maakten een eenvoudig model, onthullend dat elektronen de energiebanden in MATBG op een hoogst ongebruikelijke "Sisyphean" -manier vullen:wanneer elektronen beginnen te vullen vanaf het "Dirac-punt" (het punt waarop de valentie- en geleidingsbanden elkaar net raken), ze gedragen zich normaal, gelijk verdeeld over de vier mogelijke smaken. "Echter, wanneer de vulling die van een geheel aantal elektronen per moiré superroosterplaats benadert, er treedt een dramatische faseovergang op, " legt hoofdauteur Asaf Rozen uit. "In deze overgang, één smaak 'grijpt' alle dragers van zijn soortgenoten, 'resetten' ze terug naar het ladingsneutrale Dirac-punt."

"Links zonder elektronen, the three remaining flavors need to start refilling again from scratch. They do so until another phase transition occurs, where this time one of the remaining three flavors grabs all the carriers from its peers, pushing them back to square one. Electrons thus need to climb a mountain like Sisyphus, being constantly pushed back to the starting point in which they revert to the behavior of light Dirac electrons, " says Rozen. While this system is in a highly symmetric state at low carrier fillings, in which all the electronic flavors are equally populated, with further filling it experiences a cascade of symmetry-breaking phase transitions that repeatedly reduce its symmetry.

A 'parent state'

"What is most surprising is that the phase transitions and Dirac revivals that we discovered appear at temperatures well above the onset of the superconducting and correlated insulating states observed so far, " says Ilani. "This indicates that the broken symmetry state we have seen is, in feite, the 'parent state' out of which the more fragile superconducting and correlated insulating ground states emerge."

The peculiar way in which the symmetry is broken has important implications for the nature of the insulating and superconducting states in this twisted system.

"Bijvoorbeeld, it is well known that stronger superconductivity arises when electrons are heavier. Our experiment, echter, demonstrates the exact opposite:superconductivity appears in this magic-angle graphene system after a phase transition has revived the light Dirac electrons. How this happens, and what it tells us about the nature of superconductivity in this system compared to other more conventional forms of superconductivity remain interesting open questions, " says Zondiner.

A similar cascade of phase transitions was reported in another paper published in the same Natuur issue by Prof. Ali Yazdani and colleagues at Princeton University. "The Princeton team studied MATBG using a completely different experimental technique, based on a highly-sensitive scanning tunneling microscope, so it is very reassuring to see that complementary techniques lead to analogous observations, " says Ilani.

The Weizmann and MIT researchers say they will now use their scanning nanotube single-electron-transistor platform to answer these and other basic questions about electrons in various twisted-layer systems:What is the relationship between the compressibility of electrons and their apparent transport properties? What is the nature of the correlated states that form in these systems at low temperatures? And what are the fundamental quasiparticles that make up these states?

De studie, "Cascade of phase transitions and Dirac revivals in magic angle graphene, " was published June 11 in the journal Natuur .