En ny symmetri-brudt forældretilstand opdaget i snoet to-lags grafen

I 2018 blev det opdaget, at to lag grafen snoede det ene i forhold til det andet med en "magisk" vinkel, der viser en række interessante kvantefaser, herunder superledning, magnetisme og isolerende adfærd. Nu, et team af forskere fra Weizmann Institute of Science ledet af professor Shahal Ilani fra afdelingen for kondenseret materie i samarbejde med prof. Pablo Jarillo-Herreros gruppe på MIT, har opdaget, at disse kvantefaser stammer fra en tidligere ukendt høj-energi "forældretilstand" med en usædvanlig symmetribrud.

Graphen er en flad krystal af kulstof, kun et atom tykt. Når to ark af dette materiale placeres oven på hinanden, forkert justeret i lille vinkel, vises et periodisk "moiré" -mønster. Dette mønster giver et kunstigt gitter til elektronerne i materialet. I dette snoede dobbeltlagssystem findes elektronerne i fire "varianter":drejer "op" eller "ned", "kombineret med to" dale ", der stammer fra grafenets sekskantede gitter. Som følge heraf, hvert moiré -sted kan rumme op til fire elektroner, en af ​​hver smag.

Mens forskere allerede vidste, at systemet opfører sig som en simpel isolator, når alle moiré -steder er helt fulde (fire elektroner pr. Sted), Jarillo-Herrero og hans kolleger opdagede til deres overraskelse, i 2018, at i en bestemt "magisk" vinkel, det snoede system bliver også isolerende ved andre heltal fyldninger (to eller tre elektroner pr. moiré -sted). Denne adfærd, udstillet af magisk vinkel snoet to-lags grafen (MATBG), kan ikke forklares med enkeltpartikelfysik, og beskrives ofte som en "korreleret Mott -isolator." Endnu mere overraskende var opdagelsen af ​​eksotisk superledning tæt på disse fyldninger. Disse fund førte til en strøm af forskningsaktivitet med det formål at besvare det store spørgsmål:hvad er arten af ​​de nye eksotiske tilstande, der blev opdaget i MATBG og lignende snoede systemer?

Imaging magic-angle grafene elektroner med en carbon nanorør detektor

Weizmann-teamet satte sig for at forstå, hvordan interagerende elektroner opfører sig i MATBG ved hjælp af en unik type mikroskop, der anvender en enkelt-elektron-transistor af en nanorørstråle, placeret på kanten af ​​en scanningsprober -udligger. Dette instrument kan billede, i det virkelige rum, det elektriske potentiale produceret af elektroner i et materiale med ekstrem følsomhed.

"Ved hjælp af dette værktøj, vi kunne for første gang forestille os elektronernes 'komprimerbarhed' i dette system - det vil sige hvor svært det er at presse yderligere elektroner ind i et givet punkt i rummet, "forklarer Ilani." Groft sagt, elektronernes komprimerbarhed afspejler den fase, de er i:I en isolator, elektroner er ukomprimerbare, hvorimod de er meget komprimerbare i et metal. "

Kompressibilitet afslører også elektronernes "effektive masse". For eksempel, i almindelig grafen er elektronerne ekstremt "lette, "og opfører sig således som uafhængige partikler, der praktisk talt ignorerer tilstedeværelsen af ​​deres medelektroner. I magisk vinkelgrafen, på den anden side, elektroner menes at være ekstremt "tunge", og deres adfærd domineres således af interaktioner med andre elektroner - en kendsgerning, som mange forskere tilskriver de eksotiske faser, der findes i dette materiale. Weizmann-teamet forventede derfor, at komprimerbarheden ville vise et meget enkelt mønster som en funktion af elektronfyldning:udskiftning mellem et stærkt komprimerbart metal med tunge elektroner og inkomprimerbare Mott-isolatorer, der vises ved hvert heltal moiré gitterfyld.

Til deres overraskelse, de observerede et vidt forskelligt mønster. I stedet for en symmetrisk overgang fra metal til isolator og tilbage til metal, de observerede en skarp, asymmetrisk spring i den elektroniske komprimerbarhed nær heltalets fyldninger.

"Det betyder, at luftfartsselskabernes art før og efter denne overgang er markant anderledes, "siger studieforfatter Uri Zondiner." Før overgangen er transportørerne ekstremt tunge, og efter det ser de ud til at være ekstremt lette, minder om de 'Dirac -elektroner', der findes i grafen. "

Den samme adfærd blev set til at gentage nær hver heltalfyldning, hvor tunge bærere pludselig gav efter og lette Dirac-lignende elektroner dukkede op igen.

Men hvordan kan en sådan pludselig ændring i transportørernes natur forstås? For at løse dette spørgsmål, holdet arbejdede sammen med Weizmann teoretikere Profs. Erez Berg, Yuval Oreg og Ady Stern, og Dr. Raquel Quiroez; samt professor Felix von-Oppen fra Freie Universität Berlin. De konstruerede en enkel model, afslører, at elektroner fylder energibåndene i MATBG på en meget usædvanlig "sisyfisk" måde:når elektroner begynder at fylde fra "Dirac -punktet" (det punkt, hvor valens- og ledningsbåndene bare rører hinanden), de opfører sig normalt, fordeles ligeligt mellem de fire mulige varianter. "Imidlertid, når fyldningen nærmer sig et heltals antal elektroner pr. moiré -supergittersted, der sker en dramatisk faseovergang, "forklarer studieforfatteren Asaf Rozen." I denne overgang, en smag 'griber' alle bærerne fra sine jævnaldrende, 'nulstiller' dem tilbage til det ladningsneutrale Dirac-punkt. "

"Venstre uden elektroner, the three remaining flavors need to start refilling again from scratch. They do so until another phase transition occurs, where this time one of the remaining three flavors grabs all the carriers from its peers, pushing them back to square one. Electrons thus need to climb a mountain like Sisyphus, being constantly pushed back to the starting point in which they revert to the behavior of light Dirac electrons, " says Rozen. While this system is in a highly symmetric state at low carrier fillings, in which all the electronic flavors are equally populated, with further filling it experiences a cascade of symmetry-breaking phase transitions that repeatedly reduce its symmetry.

A 'parent state'

"What is most surprising is that the phase transitions and Dirac revivals that we discovered appear at temperatures well above the onset of the superconducting and correlated insulating states observed so far, " says Ilani. "This indicates that the broken symmetry state we have seen is, faktisk, the 'parent state' out of which the more fragile superconducting and correlated insulating ground states emerge."

The peculiar way in which the symmetry is broken has important implications for the nature of the insulating and superconducting states in this twisted system.

"For eksempel, it is well known that stronger superconductivity arises when electrons are heavier. Our experiment, imidlertid, demonstrates the exact opposite:superconductivity appears in this magic-angle graphene system after a phase transition has revived the light Dirac electrons. How this happens, and what it tells us about the nature of superconductivity in this system compared to other more conventional forms of superconductivity remain interesting open questions, " says Zondiner.

A similar cascade of phase transitions was reported in another paper published in the same Natur issue by Prof. Ali Yazdani and colleagues at Princeton University. "The Princeton team studied MATBG using a completely different experimental technique, based on a highly-sensitive scanning tunneling microscope, so it is very reassuring to see that complementary techniques lead to analogous observations, " says Ilani.

The Weizmann and MIT researchers say they will now use their scanning nanotube single-electron-transistor platform to answer these and other basic questions about electrons in various twisted-layer systems:What is the relationship between the compressibility of electrons and their apparent transport properties? What is the nature of the correlated states that form in these systems at low temperatures? And what are the fundamental quasiparticles that make up these states?

Studiet, "Cascade of phase transitions and Dirac revivals in magic angle graphene, " was published June 11 in the journal Natur .