Undersøgelse afslører stammeinducerede kvantefaseovergange i magisk vinkelgrafen

I løbet af de sidste par år har mange fysikere og materialeforskere verden over har undersøgt egenskaberne og egenskaberne ved magisk vinkel snoet to-lags grafen (MATBG). MATBG er et stærkt korreleret materiale, der først blev eksperimentelt realiseret i 2018. Dette unikke materiale er vært for en mangfoldig vifte af stærkt korrelerede faser, herunder metaller, halvmetaller, Tjern isolatorer, kvanteafvigende halltilstande og, måske mest interessant, superledning.

Forskere ved University of California, Berkeley (UC Berkeley) har for nylig udført en undersøgelse, der undersøger virkningerne af uniaxial heterostrain på det interagerende fasediagram for MATBH. Deres fund, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , antyder, at små belastningsværdier førte til en faseovergang mellem nul temperaturer mellem to tilstande, nemlig den symmetribrudte Kramers intervalley-kohærente isolator og nematiske semimetalfaser.

"Et centralt mål for vores felt er at forstå oprindelsen til superledelse i MATBG og udklare den ansvarlige mekanisme, "Daniel Parker og Tomo Soejima, to af forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org via e -mail. "Imidlertid, der er et vigtigt puslespil i MATBG -fasediagrammet, hvilket komplicerer ethvert forsøg på at guddommeliggøre supraledningens art, nemlig ladningsneutralitet, nogle forsøg finder en halvmetallisk tilstand, mens andre ser isolatorer. Vores arbejde foreslår, at en bestemt faseovergang kan løse denne uoverensstemmelse. "

Alle handlinger og ændringer i MATBG sker i såkaldte dets aktive bånd. Disse bands omfatter 2 Chern bands, gange 2 dale og gange 2 spins, i alt 8. Forskere kan let eksperimentelt justere antallet af elektroner i systemet, hvilket igen giver dem mulighed for at indstille disse bands fra alle tomme til alle fulde.

"Som en analogi man kan tænke på dette som at have 8 spande, der kan fyldes med vand, "Parker forklaret." For en given mængde vand, MATBG vælger en, og kun en, måde at fordele vandet på. For eksempel, hvis der er to spande vand værd, så kan MATBG vælge at fylde 2 spande fuldt ud til randen, eller at fylde 4 spande hver halvvejs. Systemets fase er mærket med to ting:1. hvordan vandet (elektroner) fordeles i spande (bånd) og 2. hvor svært er det at tilføje endnu en dråbe vand (dvs. om systemet er isolerende eller ledende). "

Selvom et systems isolerende eller ledende karakter er ret let at udlede eksperimentelt, fordelingen af ​​elektroner i MATBH -båndene meget sværere at bestemme. I deres papir, Parker, Soejima og deres kolleger ønskede at undersøge, hvad der sker, når antallet af elektroner er sådan, at det annullerer ladningen af ​​kulstofatomer (kendt som ladningsneutralitetspunktet) eller, når man overvejer vandspandernes analogi, hvis spande er halvvejs fyldt med vand.

Mens nogle tidligere undersøgelser, der har undersøgt dette, har observeret isolerende tilstande (dvs. hvor det er svært at tilføje "en dråbe mere"), andre har i stedet observeret metaller eller semimetalliske tilstande. Fra et teoretisk synspunkt, tidligere arbejde af Nick Bultinck og hans samarbejdspartnere tyder på, at den isolerende tilstand kan være en Kramers-intervalley kohærent (KIVC) tilstand. For at forklare dette ved hjælp af vandspandanalogien, det ville være som om alle spande var fyldt halvvejs, men de var mærkeligt parret med en partner kun fyldt på venstre halvdel og den anden kun fyldt til højre.

"Yderligere arbejde fra Bultinck og hans kolleger viste, at denne tilstand er et muligt udgangspunkt for superledning i MATBG, "Parker og Soejima sagde." Den alternative semimetalliske fase er meget mere konventionel, hvor den nederste halvdel af hver spand er fyldt. Det primære spørgsmål, vi søgte at besvare, var hvorfor, da tidligere teori forudsagde en KIVC -tilstand, man kunne i stedet observere halvmetallet. "

En mulig årsag til uoverensstemmelser i tidligere observationer er, at forskellige enheder har lidt forskellige Hamiltonianere. Nogle teams var i stand til at bruge en forenklet model af MATBG, først introduceret af Bistrizter og McDonald, at undersøge egenskaberne af MATBG -prøver.

Nylige undersøgelser, imidlertid, afslørede, at i sin oprindelige form, den såkaldte BM-model, fanger ikke ikke-lokal tunneling til stede i DFT, justering med hBN -substrat, og renormalisering af fri-fermion båndstruktur, og andre effekter. Parker, Soejima og deres kolleger ønskede således at afgøre, hvilken effekt der kunne overvejes for at forklare den observerede uoverensstemmelse.

"Bultinck havde en klar mistanke om, at belastningen kan være synderen, der er ansvarlig for denne uoverensstemmelse, "Parker og Soejima sagde." Selvom der allerede var blevet foreslået en realistisk måde at modellere stamme i MATBG og dens virkning på ikke-interagerende båndstruktur (dvs. løsning af Hamiltonian uden Coulomb -interaktion) var blevet undersøgt, dens virkning på fasediagrammet i nærvær af interaktion var hidtil ikke blevet undersøgt. "

For at teste hypotesen introduceret af Bultinck, forskerne brugte to komplementære numeriske teknikker, kendt som selvkonsistent Hartree-Fock (HF) og tæthedsmatrix-renormaliseringsgruppe (DMRG). Hartree-Fock er en standardtilnærmelse, der inkorporerer de vigtigste effekter af elektron-elektron-interaktioner. Denne tilnærmelse er yderst fleksibel; dermed, det giver forskere mulighed for at undersøge store systemstørrelser på 24 x 24-enheders celler.

"Da HF er en tilnærmelse, der er altid den skræmmende mulighed for, at den producerer en 'falsk' fase, "Parker og Soejima sagde" Vi brugte således DMRG til at udelukke dette. DMRG er en objektiv numerisk teknik, som, med tilstrækkelig beregningskraft bestemmer systemets sande fase. At bruge det til 2D-systemer med langdistanceinteraktioner, som vi har her, er ikke-trivielt, og kræver særlige teknikker udviklet af os i et tidligere papir. "

Sammenlignet med HF -tilnærmelse, DMRG er langsommere, dyrere og kan kun bruges til at undersøge små systemer. For at opnå pålidelige resultater, Parker, Soejima og deres kolleger besluttede således at bruge HF og DMRG samtidig, da HF tillod dem at kortlægge hele fasediagrammet og DMRG for at kontrollere, at HF ​​-tilnærmelsen var korrekt.

"Det centrale fund ved vores arbejde er, at små mængder heterostrain (præcist i området ε∼0,1% –0,2%) kan ødelægge KIVC -fasen og erstatte den med et halvmetal, "Parker og Soejima sagde." Ethvert ark grafen, der er fremstillet i laboratoriet, er altid under en vis stress, som komprimerer den i den ene retning, mens den strækkes i den anden. I MATBG, man har den ekstra mulighed for heterostrain, hvor det øverste lag komprimeres langs bundlagets strækningsakse, og omvendt."

I fortiden, nogle forskere udførte forsøg med at måle heterostrain til stede i MATBG -prøver og fandt ud af, at den var lille, mellem 0,1% og 0,7%. Når Parker, Soejima, og deres kolleger begyndte først at undersøge dette emne, de var temmelig skeptiske over for, at en så lille belastning ville have særlige virkninger, derfor kom deres resultater som en overraskelse for dem.

"En implikation af vores fund er, at belastning er en vigtig parameter til at karakterisere eksperimentelt, "Parker og Soejima sagde." Eksperimentelisterne, der laver og måler snoet to -lags grafen, gør et utroligt stykke arbejde med at jonglere og kontrollere mange fejlkilder. At fjerne en så lille belastning er sandsynligvis frygtelig vanskelig, men vi formoder, at nogen vil finde en måde at gøre det på før eller siden. "

Samlet set, fundene tyder på, at belastning er en vigtig 'drejeknap' i MATBG, da den kan fremkalde faseovergange, det bør derfor måles og karakteriseres, når det er muligt. Denne observation kan have vigtige konsekvenser for fremtidig forskning inden for materialevidenskab, da det kunne bidrage til at forbedre ydelsen af ​​snoet to -lags grafen.

"Vores næste mål er at forstå oprindelsen til superledning i magisk vinkelgrafen, "Parker og Soejima sagde." Et spændende forslag er, at det kan formidles af kvasipartikler kaldet Skyrmions i stedet for standardfononerne. Hvis dette virkelig er tilfældet, vi håber at bekræfte det ved at udvide de værktøjer, der bruges i dette arbejde. "

© 2021 Science X Network