Den direkte detektering af en topologisk faseovergang gennem en tegnændring i Berry-kurvaturdipolen

Berry-krumningen og Chern-tallet er afgørende topologiske kvaliteter af en kvantemekanisk oprindelse, der karakteriserer materialers elektronbølgefunktion. Disse to elementer spiller en meget vigtig rolle i at bestemme egenskaberne af specifikke materialer.

Mens mange undersøgelser har forsøgt at bestemme, hvordan Berry-krumningen og Chern-tallet påvirker materialernes egenskaber, kan det være meget vanskeligt at opdage dem i eksperimentelle omgivelser. Snoet dobbeltlagsgrafen, et materiale, der består af to stablede tolagsgrafenkrystaller, er en særlig lovende platform til at manipulere Berry-kurvaturen og dalens Chern-tal af topologiske flade bånd og dermed studere deres virkninger.

Forskere ved Tata Institute of Fundamental Research, Indian Institute of Technology og Jawaharlal Nehru Center for Advanced Scientific Research har undersøgt de indstillelige egenskaber af snoet dobbelt-dobbelt-grafen i mere end tre år. I deres seneste undersøgelse, omtalt i Nature Physics , var de i stand til direkte at detektere en topologisk overgang i et moiré-supergitter ved at kontrollere fortegnsændringen i Berry-krumningsdipolen.

Dette papir bygger på Prof. Mandar Deshmukhs tidligere værker med fokus på snoet dobbeltlagsgrafen. I en af ​​deres tidligere undersøgelser introducerede forskerne for eksempel strategier til at opdage Berry-krumningen, som de derefter anvendte i deres seneste eksperimenter.

"Før vi begyndte at arbejde på dette projekt, undersøgte professor Amit Agarwals gruppe teoretisk forskellige Hall-bidrag på grund af kvantemekaniske effekter," fortalte Subhajit Sinha, en af ​​forskerne, der udførte undersøgelsen, til Phys.org. "Juleaftensdag 2020 skrev han til os angående måling af den ikke-lineære Hall-effekt i vores prøver. En af vores snoede dobbeltlagsgrafenprøver var kold i en kryostat, så vi besluttede at indsamle målinger på den og se, om vi fik hvad som helst. Måske var nogle stjerner justeret, fordi vi faktisk målte et eller andet signal!"

Efter at de havde valideret deres indledende observationer og målinger ved at udføre flere krydstjek, var holdet i stand til med høj grad af sikkerhed at fastslå, at de faktisk havde målt den ikke-lineære kvante Hall-effekt i deres snoede dobbeltlags grafenprøve. De udførte derefter andre analyser i samarbejde med prof. Amits forskningsgruppe for at påvise, at de direkte havde observeret en topologisk overgang.

I deres seneste eksperimenter målte Prof. Mandars gruppe ved TIFR specifikt den ikke-lineære Hall-spænding i deres snoede dobbeltlags grafenprøve. Dette er en ikke-lineær spænding, der kan drives af en vinkelret elektrisk strøm i planet i Hall-bar-målingen.

"Normalt udvikler Hall-spændingen sig vinkelret på strømstrømmen, når et eksternt magnetfelt påføres vinkelret på prøvens plan." Sinha forklarede. "Interessant nok viste Sodemann og Fu's banebrydende teoretiske arbejde, at man også kan have en Hall-spænding i fravær af et magnetisk felt selv i ikke-magnetiske materialer på grund af topologiske bånd, og vi målte denne spænding."

Kombineret effekt af en ikke-nul Berry-krumning og små mængder belastning i snoet dobbeltlagsgrafensystem kan give anledning til, hvad der er kendt som "Berry-krumningsdipolen." Denne unikke måling genererer en ikke-lineær Hall-spænding, der skaleres kvadratisk med strømmen, der påføres en materialeprøve.

"Vi påførte en lavfrekvent strøm og målte Hall-spændingen ved to gange frekvensen af ​​den påførte strøm for at detektere den ikke-lineære Hall-spænding," sagde Sinha. "Derefter brugte vi en skaleringsanalyse til at detektere en tegnændring i Berry-kurvaturdipolen, hvilket indikerer en topologisk faseovergang."

Topologiske faseovergange er utroligt svære at opdage eksperimentelt. Ikke desto mindre har mange teoretiske og eksperimentelle undersøgelser for nylig antydet en overgang i topologien af ​​båndene af snoet dobbelt-dobbelt-grafen. Det seneste arbejde fra holdet tilbyder en direkte observation af denne faseovergang i eksperimentelle omgivelser.

"Ved brug af transportmålinger opdagede vi denne topologiske overgang direkte via en tegnændring i Berry-krumningsdipolen," forklarede Sinha. "Dette giver os et eksperimentelt håndtag til at sondere båndets geometriske fysik og topologiske faseovergange samtidigt."

Resultaterne indsamlet af dette hold af forskere kan have meget vigtig betydning for studiet af topologiske faseovergange i snoet dobbelt-dobbelt-grafen. I fremtiden kan de anvendte metoder hjælpe med at detektere topologiske overgange i andre materialer og systemer.

"En umiddelbar fremtidig retning for vores arbejde kan være at bruge vores teknik til at kortlægge faseovergangen som en funktion af snoningsvinkel eller stablingsrækkefølge," tilføjede Sinha. "Derudover håber vi, at vores metode også vil blive emuleret i andre 2D- eller endda 3D-materialer for at karakterisere lignende topologiske faseovergange. Generelt vokser forskningsinteressen for ikke-lineære Hall-effekter på grund af dens mange fordele, hvoraf den ene er at undersøge båndgeometriske og topologiske egenskaber af materialer. Vi bliver nødt til at vente og se de interessante veje, som ikke-lineære effekter kan få adgang til, efterhånden som de udfolder sig." + Udforsk yderligere

Specielt orienteret snoet tolagsgrafen er vært for topologiske elektroniske tilstande

© 2022 Science X Network