Wetenschappers van ICFO, Princeton en NIMS hebben een volledige reeks symmetrie-gebroken Chern-isolatoren ontdekt die worden veroorzaakt door sterke correlaties in grafeen met magische hoeken. De studie is gepubliceerd in Natuurfysica .

Een Chern-isolator is een 2D-isolator die spontaan de tijdomkeringssymmetrie verbreekt en chirale randtoestanden uitvoert. De studie van Chern-isolatoren in het afgelopen decennium heeft het begrip van gecondenseerde materie verdiept en zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van elektronica met een laag stroomverbruik. Magic Angle Twisted Bilayer Graphene (MATBG) is onlangs naar voren gekomen als een rijk platform om sterke correlaties te onderzoeken, supergeleiding en magnetisme en bandtopologie.

In een recente studie gepubliceerd in Natuurfysica , een team van wetenschappers waaronder ICFO-onderzoeker Ipsita Das, Xiaobo Lu (voormalig postdoc bij ICFO), onder leiding van ICFO Prof. Dmitri Efetov en collega's uit Princeton (Jonah Herzog-Arbeitman, Zhida Song en B. Andrei Bernevig) en het Nationaal Instituut voor Materiaalwetenschappen (Kenji Watanabe en Takashi Taniguchi), heeft een volledige reeks van door symmetrie gebroken Chern-isolatoren gerapporteerd in de platte banden van grafeen met magische hoeken.

In tegenstelling tot traditionele Chern-isolatoren, die meestal worden bereikt in gemagnetiseerde topologische isolatoren, de nieuw ontdekte Chern-isolatoren in grafeen met magische hoeken, die alleen uit niet-magnetische koolstofatomen bestaat, afkomstig zijn van sterke correlatie-geïnduceerde symmetriebreking. In hun experiment hebben ze gebruikten magneto-transporttechniek om zowel de langsweerstand als de halweerstand te meten. Ze slaagden erin om Chern-isolatoren te observeren met een magische reeks van gekwantiseerde Hall-geleiding C =± 1, ±2, ±3, ± 4 die kiemen uit gehele vullingen van de moiré-eenheidscel =± 3, ±2, ±1, 0 overeenkomstig. De magische reeks en correspondentie van Chern-nummers en vulfactoren suggereren dat deze toestanden direct worden aangedreven door elektronische interacties die specifiek de tijdomkeringssymmetrie in het systeem doorbreken.

Verder, ze bestudeerden kwantummagneto-oscillaties in de tot nu toe onontgonnen hogere energie-dispersieve banden van dubbellaags grafeen met magische hoek. In een magnetisch veld, het energiespectrum toont een rijke opeenvolging van overwegen die rechtstreeks afkomstig zijn van de unieke Rashba-achtige spreiding van de banden. Nadere analyse van de Landau-overgangen stelde de onderzoekers in staat om beperkingen te geven aan de parameters w0 en w1 van de Bistritzer-MacDonald MATBG Hamiltoniaan.

De studie biedt direct inzicht in de complexe aard van het breken van symmetrie in MATBG en maakt kwantitatieve tests mogelijk van de voorgestelde microscopische scenario's voor de elektronische fasen ervan. Ipsita Das, onderzoeker bij ICFO en eerste auteur van de studie zegt:"We waren behoorlijk verbijsterd toen we voor het eerst de rijkdom van deze nieuwe topologische toestanden zagen."

Dr. Xiaobo Lu, voormalig ICFO-postdoc en co-auteur van deze studie, zegt, "de observatie van niet-triviale topologie in supergeleidend magisch hoekgrafeen is opwindend. De integratie van sterke correlatie, supergeleiding en Chern-isolatiefasen in dubbellaags grafeen met magische hoeken kunnen in de toekomst leiden tot nieuwe onderzoeksmogelijkheden."

Prof. bij ICFO Dmitri Efetov zegt, "Dergelijke prestaties markeren de volgende stap in het begrijpen van de verbazingwekkende eigenschappen van gedraaid dubbellaags grafeen, nu topologie toe te voegen als een van de bepalende kenmerken."