Studiet undersøger spontan symmetribrud i snoet dobbelt-dobbelt-grafen

I løbet af de sidste par år, et stigende antal forskere verden over har gennemført undersøgelser, der undersøger egenskaberne og egenskaberne ved såkaldte twisted van der Waals (vdW) materialer. Denne unikke klasse af materialer kunne være en ideel platform til at undersøge korrelerede faser, der opstår som et resultat af stærke interaktioner mellem elektroner.

Forskere ved University of Washington og National Institute for Materials Science i Japan har for nylig udført en undersøgelse, der specifikt udforsker korrelerede isolerende tilstande, der kan forekomme i snoede vdW-heterostrukturer, og som kunne indstilles ved at ændre vridningsvinklen og anvende et eksternt elektrisk felt. I deres papir, udgivet i Naturfysik , de præsenterer elektriske transportmålinger af snoet dobbelt-dobbelt-grafen, hvorfra de var i stand til at undersøge rollen af ​​spontan symmetribrud i materialets fasediagram.

Fysikere af kondenseret stof har vidst, hvordan man isolerer enkeltlags ark af materialer såsom grafen i over 15 år ved hjælp af en scotch tape-eksfolieringsprocedure. De ved nu også, hvordan man samler tynde atomplader individuelt op og samler dem oven på hinanden. Hvis de drejes med en lille drejningsvinkel, et geometrisk interferensmønster kaldet moiré-mønster fremkommer. Dette mønster kan kraftigt ændre de elektroniske egenskaber af en sammensat struktur.

"I visse tilfælde, moiré-mønsteret kan resultere i spektakulære nye elektroniske tilstande, der er drevet af stærke vekselvirkninger mellem elektronerne i materialet, " Matthew Yankowitz, assisterende professor i fysik og materialevidenskab og teknik ved University of Washington, hvem udførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Dette blev først opdaget i 2018 af forskere ved MIT, som observerede superledning og korrelerede isoleringstilstande ved stabling af to monolags grafenplader snoet med 1,1° (dvs. magisk vinkel snoet dobbeltlags grafen). Disse korrelerede tilstande er især spændende, fordi de ligger i en støkiometrisk simpel struktur, der udelukkende består af kulstofatomer og kan indstilles dynamisk ved hjælp af en række eksperimentelle knapper som ladningsdoping, vridningsvinkel og tryk."

Lignende korrelerede tilstande er også tidligere blevet observeret i bulkkrystaller, dog i disse materialer, de var langt sværere at indstille og teoretisk modellere på grund af krystallernes komplekse strukturer. At forstå disse stærkt korrelerede tilstande er således fortsat en nøgleudfordring i fysik af kondenseret stof.

Målet med det nylige arbejde af Yankowitz og hans kolleger var at få indsigt i, hvordan disse korrelerede tilstande i vdW-heterostrukturer kan bruges i forskning og teknologisk udvikling. Kort efter at de første gang blev set i magisk vinkel snoet dobbeltlags grafen, forskerhold verden over indså, at disse tilstande også kunne findes i heterostrukturer indeholdende to snoede plader af tolagsgrafen (dvs. fire grafenlag i alt).

"I dette tilfælde, de korrelerede tilstande kunne desuden styres af et elektrisk felt påført vinkelret på grafenpladerne, " forklarede Yankowitz. "Men, den nøjagtige natur af disse tilstande forblev noget mystisk. I særdeleshed, der var træk, der lignede en eksotisk form for superledning, imidlertid, den nøjagtige oprindelse af disse træk var ikke godt forstået. Den primære motivation for vores undersøgelse var at tage fat på disse spørgsmål ved at studere snoet dobbelt-dobbelt-grafen med elektrisk afstemning."

Som en del af deres studie, Yankowitz og hans kolleger målte elektrisk transport som en funktion af temperatur og magnetfelt. Når der er et lille magnetfelt, tegnet på modstand på tværs af den påførte strøm, som er kendt som Hall modstand, angiver hvilken type subatomære partikler (dvs. elektroner eller 'huller') er de primære ladningsbærere inde i et materiale.

Når korrelerede tilstande spontant bryder en symmetri (dvs. enten elektronspin eller dalsymmetri) i snoet dobbelt-dobbelt-grafen ved lave temperaturer, materialets elektroniske struktur ændrer sig hurtigt, og dets primære ladebærere kan også ændre sig. Derfor, Samtidig måling af materialets resistivitet og Hall-effekt kan give værdifuld indsigt om de korrelerede tilstande i det.

"Ved omhyggeligt at måle resistiviteten og Hall-effekten af ​​snoet dobbelt-dobbelt-grafen som funktion af temperaturen, vi fandt ud af, at den bratte modstand falder, minder om superledning, var også forbundet med en samtidig tegnændring i dens Hall-modstand, " sagde Xiaodong Xu, professor i fysik og materialevidenskab og teknik ved University of Washington. "Denne observation er mere i overensstemmelse med begyndelsen af ​​magnetisk bestilling på grund af spontan symmetribrud end med superledning."

Interessant nok, modstandsfaldet observeret af Yankowitz, Xu og deres kolleger i snoet dobbelt-dobbelt-grafen gennemgår den skarpeste ændring som funktion af temperaturen ved grænsen af ​​de symmetri-brydende tilstande. Som en del af deres studie, forskerne undersøgte også transport som en funktion af bias forårsaget af en påført elektrisk strøm.

Når de påførte en strøm til materialet, de observerede signaturer forbundet med ikke-lineær transport. Selvom ikke-lineær transport også observeres i superledende tilstande, de fandt ud af, at det i deres prøve højst sandsynligt var et resultat af Joule-opvarmningsmekanismer.

"Vores arbejde giver en kritisk ny forståelse af tidligere mystiske træk forbundet med korrelerede tilstande i snoet dobbelt-dobbelt-grafen, " sagde Yankowitz. "Selvom vi ikke direkte kan udelukke superledning, vores resultater tyder på, at magnetisme drevet af spontan symmetribrud er en plausibel kandidat til den korrelerede metalliske tilstand i snoet dobbelt-dobbelt-grafen."

I de seneste år, superledningslignende træk, der ligner den, der blev undersøgt af dette team af forskere, er blevet observeret i en lang række moiré vdW-heterostrukturer. De nye resultater, de præsenterede, kunne hjælpe med at differentiere disse tilstande fra den superledningsevne, som tidligere undersøgelser afslørede i magisk vinkel snoet dobbeltlagsgrafen.

Ud over, observationerne indsamlet af Yankowitz, Xu og deres kolleger kunne hjælpe med bedre at forstå karakteren af ​​korrelerede tilstande i moiré vdW heterostrukturer fra et teoretisk synspunkt, hvilket indtil videre har vist sig meget udfordrende. Forskerne planlægger at bruge den indsigt, de fik, til at udvikle mere direkte sonder til at forstå disse tilstande.

"Da vores resultater tyder på, at de korrelerede metalliske tilstande er magnetisk ordnet, vi vil gerne observere direkte signaturer af denne magnetisme ved hjælp af en kombination af elektrisk transport og optisk spektroskopi, " sagde Yankowitz. "Vi undersøger også nye måder at kontrollere disse korrelerede stater på, for eksempel ved at påføre højt tryk for at modificere materialets mellemlagskobling og krystalstruktur. Endelig, teori forudsiger, at dette materiale kan være vært for topologiske tilstande, ligesom den kvante anomale Hall-effekt, så vi undersøger nu måder at afsløre og undersøge denne ikke-trivielle topologi."

© 2020 Science X Network