science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Natuurkundigen demystificeren magie:bonafide topologische Mott-isolator ontdekt in gedraaid dubbellaags grafeenmodel

Moiré-patroon in gedraaid dubbellaags grafeen. De gedraaide hoek θ =4,41 graden en er zijn 676 koolstofatomen in een moiré-eenheidscel. Tegoed:Dr. Bin-Bin Chen

Stel je voor dat je twee vellen grafeen op elkaar stapelt - de 2D-vorm van grafiet, of het potlood in je hand - waarin de koolstofatomen een hexagonaal rooster vormen en het bovenste vel uit lijn met het onderstaande vel draaien, het opleveren van een periodieke rangschikking van atomen genoemd moirépatroon. Weet je dat bij een gedraaide hoek van ongeveer 1° - men noemt het nu de 'magische' hoek - het systeem zeer exotisch gedrag kan vertonen, zoals een isolator worden, een metaal of zelfs een supergeleider? Kun je je voorstellen dat hetzelfde koolstofatoom in je potlood (grafiet) een supergeleider wordt wanneer het naar de magische hoek wordt gedraaid? Het deed inderdaad zoals mensen het in 2018 ontdekten, maar waarom? Een team van onderzoekers van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Hong Kong (HKU) en hun medewerkers zijn erin geslaagd een bonafide topologische Mott-isolator te ontdekken in een gedraaid dubbellaags grafeenmodel. De bevindingen zijn gepubliceerd in een gerenommeerd tijdschrift Natuurcommunicatie .

De redenen achter deze opwindende verschijnselen zijn de grenzen van de fysica van de gecondenseerde materie en het onderzoek naar kwantummateriaal, zowel experimenteel, theoretische en computationele, meestal in gecombineerde vorm. Het basisbegrip tot nu toe is dat zodra de twee grafeenvellen moirépatronen vormen onder de magische hoeken, de energiebanden van elektronen in het gedraaide dubbellaagse grafeen worden bijna vlak, met andere woorden, de snelheid van de elektronen op het rooster wordt aanzienlijk lager dan normaal (vergeleken met die in enkellaags grafeen of grafiet - ons potlood), dus, de dichtheid van de elektronen voor deze specifieke energie is enorm groot en de elektronen kunnen sterk met elkaar interageren, die aanleiding geven tot vele onverwachte toestanden, bijv. de supergeleider, kwantum Hall-effect.

Als resultaat, het gedrag van het elektron wordt gedomineerd door de wederzijds afstotende (Coulomb) interacties, wat leidt tot de opkomst van de hierboven besproken exotische fasen die niet bestaan ​​in enkele lagen grafeen of ons potlood. Bij lage temperaturen (onder 10 Kelvin), wanneer het elektronengetal is afgestemd om gehele vrijheidsgraden van de vlakke banden te vullen, het betekent dat sommige van deze banden volledig bezet zijn terwijl de andere volledig leeg zijn, het systeem zou dan een elektrisch isolerende fase vormen. Bovendien, wanneer het elektronengetal afwijkt van de gehele vullingen, het systeem wordt ofwel een metaal (met lage elektrische weerstand) of een supergeleider (nulweerstand).

De verschijnselen van de magische hoek gedraaid dubbellaags grafeen zijn rijk en diepgaand, en natuurkundigen over de hele wereld doen nu heel hard hun best om goede microscopische modellen te bouwen en krachtige rekenmethoden te vinden om de mysterieuze eigenschappen van deze modellen vast te leggen. Onlangs, Dr. BinBin Chen en Dr. Zi Yang Meng van de afdeling Natuurkunde, HKU, in samenwerking met instellingen uit China en de VS, is daarin geslaagd met aanzienlijke vooruitgang. Ze hebben het fasediagram van een model met een specifieke elektronendichtheid gedemystificeerd en de experimenteel waargenomen kwantum afwijkende Hall-toestand geïdentificeerd, wat een nieuwe kwantumtoestand is met dissipatieloze randstroom en veelbelovend is om te worden gebruikt als een basiscomponent van je dagelijkse elektronische gadgets, bijv. computer, smartphone.

Quantum abnormaal Hall-effect in effectief gedraaid dubbellaags grafeenmodel

(a) De Hamiltoniaan bestaat uit twee termen:de clusterladingsoperator Q, en de geassisteerde hopping-term T met afwisselende tekenstructuur. (b) Het fasediagram bevat twee verschillende isolerende fasen, d.w.z., de streepfase voor α αc ≃ 0,12. Tegoed:Dr. Bin-Bin Chen

Onderzoekers besteden speciale aandacht aan de ν=3 integer vulling van de magische hoek gedraaid dubbellaags grafeen, aangezien bij hetzelfde vulgeval, het experiment toont aan dat in de uitlijning van hexagonaal boornitridesubstraat, de elektronen vertonen gekwantiseerde Hall-geleiding σxy=e2/h zonder een magnetisch veld uit te oefenen - de zogenaamde kwantum-anomale Hall-toestand (QAH). De QAH-toestand is een interessante topologische toestand waarbij het grootste deel isoleert en de rand elektrische stroom geleidt zonder dissipatie! Tot nu toe, het mechanisme van een dergelijke QAH-staat staat nog ter discussie. In productie, onderzoekers laten zien dat een dergelijk effect kan worden gerealiseerd in een roostermodel van gedraaid dubbellaags grafeen in de sterke koppelingslimiet, en interpreteer de resultaten in termen van een topologische Mott-isolatorfase.

specifiek, onderzoekers presenteren hun theoretische studie over het mechanisme van QAH, aangedreven door geprojecteerde Coulomb-interacties. Door gebruik te maken van uitgebreide dichtheidsmatrix renormalisatie groepssimulaties op het interagerende roostermodel, ze identificeren een QAH-fase met Hall-geleiding van σxy=e2/h, die is gescheiden van een isolerende ladingsdichtheidsgolf (streep) fase door een eerste-orde kwantumfaseovergang bij αc ≃ 0,12. Om de Hall-geleiding in de QAH-fase te berekenen, ze volgen eigenlijk het gedankenexperiment van Laughlin. Dat is, door een flux φ langzaam van 0 naar 2π door het gat van de cilinder te steken, we zien dat precies één elektron van de linkerrand naar rechts wordt gepompt, overeenkomend met de gekwantiseerde Hall-geleiding van σxy=e2/h. Dit werk behandelt de momenteel populaire vraag over de oorsprong van QAH in gedraaid dubbellaags grafeen bij ν=3 vulling.

Het eerste exemplaar van topologische Mott-isolator

De QAH-toestand die door modelberekening is ontdekt, komt puur voort uit de unieke eigenschappen van de Coulomb-interactie in het met een magische hoek gedraaide dubbellaagse grafeensysteem. En het is het eerste voorbeeld van zo'n door interactie gedreven topologische kwantumtoestand van materie die ondubbelzinnig is ontdekt. De impact van een dergelijke ontdekking gaat zelfs verder dan het gebied van met een magische hoek gedraaid dubbellaags grafeen en heeft tien jaar geleden gereageerd op een voorstel in de generieke topologische toestand van materie.

Een van de recensenten, Dr. Nick Bultinck, een theoretische gecondenseerde materie theoreticus van de Universiteit van Oxford, gaf een hoge waardering van het werk en zei:"In zijn baanbrekende paper, Haldane heeft aangetoond dat men geen magnetisch veld nodig heeft om elektronen topologisch niet-triviale uitgebreide toestanden te laten bezetten die reageren op de adiabatische flux-insertie van Laughlin door een gekwantiseerde Hall-stroom te produceren. De resultaten in dit werk laten zien dat men niet eens een term voor kinetische energie in de Hamiltoniaan nodig heeft om dit te laten gebeuren."

Meting van Hall-geleiding via flux-insertie in de kwantum afwijkende Hall-fase van het gedraaide dubbellaagse grafeenroostermodel. Tegoed:Dr. Bin-Bin Chen

Inderdaad, niet beperkt tot het gedraaide dubbellaagse grafeensysteem, ons werk, Voor de eerste keer, biedt een Mott-Hubbard-perspectief voor de QAH-toestand die alleen door interacties wordt aangedreven. Bijgevolg, we hebben het al lang bestaande mysterie van het mogelijke bestaan ​​van de topologische Mott-isolator (TMI) opgehelderd, de bouwsteen van de zogenaamde informatiesnelweg vanwege zijn vermogen om elektriciteit en informatie zonder verlies over te dragen.

De beroemde Chinees-Amerikaanse natuurkundige, Professor Shou-Cheng ZHANG (1963-2018) en zijn medewerkers stelden ongeveer tien jaar geleden voor het eerst een dergelijke TMI-staat voor, en vervolgens, verschillende interactiemodellen zijn door veel theoretici bestudeerd. Van alle eerdere werken, de kinetische termen spelen een cruciale rol bij het ontstaan ​​van de QAH, en daarom, de verkregen staat mag niet als "TMI" worden bestempeld. Echter, ons model schakelt het kinetische deel volledig uit en bevat alleen de interacties om de TMI-status te produceren. In dit verband, ons werk overbrugt de twee essentiële gebieden in de fysica van de gecondenseerde materie:topologie en de sterke correlatie. Verdere uitbreiding van onze modelconstructie en onbevooroordeelde quantum veel-lichaamsberekeningen zijn vanaf hier toegankelijk.

Impact en toekomstige richtingen

Aangezien het aantal transistors in de chips van onze computer elke 18 maanden wordt verdubbeld, de warmte die ze produceerden samen met de elektriciteitsoverdracht wordt stilaan een ernstig probleem. De ontdekking van het kwantum afwijkende Hall-effect is van groot belang, omdat er geen energieverlies en geen warmte wordt gegenereerd in de rand. In praktijk, zo'n toestand is de bouwsteen van de informatiesnelweg en is veelbelovend voor toepassing in de volgende generatie chip.

De ontdekking van de QAH als de topologische Mott-isolatortoestand in onze modelberekening bij vulling v =3 werpt licht op de fasen die optreden in met een magische hoek gedraaid dubbellaags grafeen. Verdere zorgvuldige modellering en berekening van de roostermodellen van het systeem zou het mechanisme van de supergeleiding onthullen en een betere afstembaarheid van deze exotische verschijnselen in dit en ander 2D-kwantummoiré-materiaal opleveren. De nieuwe bevindingen laten ook veel open vragen. Bijvoorbeeld, waarom is de topologische Mott-isolatortoestand afwezig bij andere vullingen van de bandstructuur van de gedraaide dubbellaag met magische hoek, hoe je de eigenschappen van het model goed kunt bestuderen en berekenen, weg van integer vullingen, enzovoort? "De antwoorden op deze vragen kunnen natuurkundigen helpen om de magie in dit materiaal volledig te demystificeren en meer opwindende fasen van materie te ontwerpen in dit en andere 2D-quantummoiré-materialen die momenteel actief worden bestudeerd." Dr. Meng voegde toe, "En onze onderzoeksactiviteiten en expertise in 2D-kwantummaterialen kunnen deze richting aanzienlijk stimuleren, dat zijn de strategische onderzoeksthema's van de HKU."