Magische hoek gedraaid dubbellaags grafeen is een materiaal dat bestaat uit twee vellen grafeen die op elkaar zijn geplaatst, waarbij het ene vel precies 1,05 graden is gedraaid ten opzichte van het andere. Dit materiaal is een veelbelovend platform gebleken voor het bestuderen van verschillende fasen van materie, omdat het metaalachtige, supergeleidende, magnetische en isolerende fasen in een enkel kristal combineert.

Van gedraaid dubbellaags grafeen met een magische hoek is bekend dat het platte energiebanden ondersteunt met topologische eigenschappen die onder specifieke omstandigheden toegankelijk zijn. Recente studies hebben aangetoond dat sterke interacties deze topologische banden kunnen isoleren, waardoor het systeem de zogenaamde Chern-isolator-grondtoestanden kan ondersteunen. In de grondtoestanden van de isolator van Chern is het grootste deel van het materiaal isolerend, maar elektronen kunnen zich langs de randen voortplanten zonder warmte af te geven.

Onderzoekers van de Harvard University, het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en het National Institute for Materials Science in Japan hebben onlangs een studie uitgevoerd om de grondtoestanden van de Chern-isolator in gedraaid dubbellaags grafeen te onderzoeken. Hun paper, gepubliceerd in Nature Physics , levert bewijs voor het bestaan ​​van een reeks onsamendrukbare toestanden met onvoorspelde Chern-nummers in dit fascinerende materiaal.

"Terwijl de tot nu toe gerapporteerde Chern-isolatoren een eenvoudige reeks volgen die overeenkomt met het breken van de spin-valleisymmetrie, rapporteert ons artikel talrijke nieuwe Chern-isolatoren waarin elektron-elektron-interacties de translatiesymmetrie van het rooster verbreken," Andrew Pierce, een van de onderzoekers die voerde het onderzoek uit, vertelde Phys.org .

Pierce en zijn collega's verzamelden een reeks metingen met behulp van een scanning single-electron-transistor microscoop. Dit instrument kan een uiterst gevoelige lokale detector van elektrische lading zijn.

"We maken gebruik van de ruimtelijke resolutie van onze microscoop om de meest ongerepte, wanordevrije gebieden van het apparaat te identificeren, waar we handtekeningen waarnemen van fragiele topologische isolatietoestanden die niet zichtbaar zijn in weerstandsmetingen", zegt Yonglong Xie, een co-auteur op de studie.

In hun experimenten onthulden Pierce en zijn collega's een reeks onsamendrukbare toestanden met onverwachte Chern-nummers waargenomen tot nul magnetisch veld. Bovendien ontdekten ze dat de Chern-getallen voor acht van deze staten niet kunnen worden vastgelegd door theorieën waarin de banden in met een magische hoek gedraaid dubbellaags grafeen opeenvolgend worden gevuld. De onderzoekers toonden aan dat het ontstaan ​​van deze ongebruikelijke fasen een gevolg zou kunnen zijn van een verbroken translatiesymmetrie.

"Het besef dat ongebruikelijke translatiesymmetrie-gebroken toestanden aanwezig zijn in grafeen met magische hoek, breidt het repertoire van gecorreleerde en topologische gedragingen in dit systeem uit", zegt Pablo Jarillo-Herrero, Cecil en Ida Green hoogleraar natuurkunde aan het MIT. "In feite zijn dergelijke translatiesymmetrie-gebroken toestanden alomtegenwoordig in kwantummaterialen, maar ze kunnen veel gedetailleerder worden onderzocht in grafeen met magische hoeken, wat zou kunnen leiden tot een dieper fundamenteel begrip van hun oorsprong, met lessen die breed toepasbaar kunnen zijn op andere gecorreleerde materialen."

In de toekomst kunnen de bevindingen die door dit team van onderzoekers zijn verzameld belangrijke implicaties hebben voor de studie van Chern-isolatortoestanden in met een magische hoek gedraaid dubbellaags grafeen, evenals voor het breken van symmetrie in andere materialen, zoals hoge T ik> _c supergeleiders. Over het algemeen breidt deze studie het bekende fasediagram van met een magische hoek gedraaid dubbellaags grafeen aanzienlijk uit en werpt het licht op de mogelijke oorsprong van de nauwe concurrentie tussen verschillende gecorreleerde fasen erin.

"Een belangrijke vraag voor toekomstig onderzoek is of het doorbreken van translatiesymmetrie de voorkeur heeft of afkeurt van supergeleiding in met een magische hoek gedraaid dubbellaags grafeen", zegt Amir Yacoby, hoogleraar natuurkunde aan Harvard. "Ons werk verhoogt ook de mogelijkheid om nieuwe topologische fasen van materie te ontdekken in met een magische hoek gedraaid dubbellaags grafeen buiten de hier gerapporteerde toestanden, vooral die welke exotische soorten quasideeltjes kunnen ondersteunen." + Verder verkennen

Universele reeks Chern-isolatoren in supergeleidend magisch hoekgrafeen

© 2021 Science X Network