Fysikere afmystificerer magi:bona fide topologisk Mott-isolator opdaget i en snoet tolags grafenmodel

Forestil dig at stable to ark grafen – 2D-formen af ​​grafit, eller blyanten ved din hånd - hvor kulstofatomerne danner et sekskantet gitter og vrider det øverste ark ud af justering med arket nedenfor, hvilket giver et periodisk arrangement af atomer ved navn moiré-mønster. Ved du, at systemet i en snoet vinkel på omkring 1° - folk kalder det nu den 'magiske' vinkel - kan udvise meget eksotisk adfærd, såsom at blive en isolator, et metal eller endda en superleder? Kan du forestille dig, at det samme kulstofatom i din blyant (grafit) bliver en superleder, når det drejes til den magiske vinkel? Det gjorde det, som folk opdagede det i 2018, men hvorfor? Et team af forskere fra Institut for Fysik ved University of Hong Kong (HKU) og deres samarbejdspartnere er lykkedes med at opdage en bona fide topologisk Mott-isolator i snoet tolags grafenmodel. Resultaterne er blevet offentliggjort i et anerkendt tidsskrift Naturkommunikation .

Årsagerne bag disse spændende fænomener er grænserne for kondenseret stoffysik og kvantematerialeforskning, både eksperimentelle, teoretiske og beregningsmæssige, normalt i kombineret form. Den grundlæggende forståelse indtil nu er, at når de to grafenark danner moiré-mønstre ved de magiske vinkler, energibåndene af elektroner i det snoede dobbeltlagsgrafen bliver næsten flade, med andre ord, hastigheden af ​​elektronerne på gitteret bliver betydeligt lavere end normalt (sammenlignet med hastigheden i enkeltlags grafen eller grafit - vores blyant), dermed, tætheden af ​​elektronerne for denne specifikke energi er enormt stor, og elektronerne kan interagere stærkt med hinanden, giver anledning til mange uventede tilstande, f.eks., superdirigenten, kvante Hall effekt.

Som resultat, elektronens adfærd er domineret af de gensidige frastødende (Coulomb) interaktioner, hvilket fører til fremkomsten af ​​de eksotiske faser diskuteret ovenfor, som ikke findes i enkelte lag af grafen eller vores blyant. Ved lave temperaturer (under 10 Kelvin), når elektrontallet er indstillet til at udfylde heltals frihedsgrader for de flade bånd, det betyder, at nogle af disse bånd er fuldt optaget, mens de andre efterlader helt tomme, systemet ville så danne en elektrisk isolerende fase. I øvrigt, når elektrontallet afviger fra heltalsfyldningerne, systemet bliver enten et metal (med lav elektrisk resistivitet) eller en superleder (nul modstand).

Fænomenerne med den magiske vinkel snoet dobbeltlagsgrafen er rige og dybe, og fysikere over hele verden prøver nu meget hårdt på at bygge ordentlige mikroskopiske modeller og finde kraftfulde beregningsmetoder til at fange disse modellers mystiske egenskaber. For nylig, Dr. BinBin Chen og Dr. Zi Yang Meng fra Institut for Fysik, HKU, i samarbejde med institutioner fra Kina og USA, lykkedes med det med betydelige fremskridt. De har afmystificeret fasediagrammet af en model med en specifik tæthed af elektroner og har identificeret den eksperimentelt observerede kvanteanomale Hall-tilstand, som er en ny kvantetilstand med dissipationsfri kantstrøm og lover at blive brugt som en grundlæggende komponent i dine daglige elektroniske gadgets, f.eks. computer, smartphone.

Kvante anomal Hall-effekt i effektiv snoet tolags grafenmodel

Forskere er særligt opmærksomme på ν=3 heltalsfyldningen af ​​den magiske vinkel snoet dobbeltlagsgrafen, da ved samme påfyldningskasse, eksperimentet viser, at i justeringen af ​​hexagonalt bornitridsubstrat, elektronerne udviser kvantiseret Hall-konduktans σxy=e2/h uden at udøve et magnetfelt - den såkaldte den kvanteanomale Hall-tilstand (QAH). QAH-tilstanden er en interessant topologisk tilstand, hvor hovedparten forbliver isolerende og kanten leder elektrisk strøm uden dissipation! Indtil nu, mekanismen for en sådan QAH-stat er stadig under debat. I arbejdet, forskere viser, at en sådan effekt kan realiseres i en gittermodel af snoet dobbeltlagsgrafen i den stærke koblingsgrænse, og fortolke resultaterne i form af en topologisk Mott-isolatorfase.

Specifikt, forskere præsenterer deres teoretiske undersøgelse af mekanismen for QAH drevet af forventede Coulomb-interaktioner. Ved at anvende omfattende tæthedsmatrix-renormaliseringsgruppesimuleringer på den interagerende gittermodel, de identificerer en QAH-fase med Hall-konduktans på σxy=e2/h, som er adskilt fra en isolerende ladningstæthedsbølge (stribe) fase ved en førsteordens kvantefaseovergang ved αc ≃ 0,12. For at beregne Hall-konduktansen i QAH-fasen, de følger faktisk Laughlins gedankeneksperiment. Det er, ved at indføre en flux φ langsomt fra 0 til 2π gennem hullet i cylinderen, vi observerer, at præcis én elektron pumpes fra venstre kant til højre, svarende til den kvantiserede Hall-konduktans af σxy=e2/h. Dette arbejde adresserer det aktuelt populære spørgsmål om oprindelsen af ​​QAH i snoet dobbeltlagsgrafen ved ν=3-fyldning.

Den første forekomst af topologisk Mott-isolator

QAH-tilstanden, der er opdaget fra modelberegning, kommer udelukkende fra de unikke egenskaber ved Coulomb-interaktionen i det magiske vinkel-snoede dobbeltlags grafensystem. Og det er det første eksempel på en sådan interaktionsdrevet topologisk kvantetilstand af stof, der entydigt er blevet opdaget. Virkningen af ​​en sådan opdagelse er endda uden for området for magisk vinkel snoet dobbeltlagsgrafen og har reageret på et forslag i den generiske topologiske tilstand af stof for et årti siden.

En af anmelderne, Dr. Nick Bultinck, en teoretisk kondenseret materie teoretiker fra University of Oxford, gav en høj vurdering af værket og sagde:"I hans skelsættende papir, Haldane har vist, at man ikke behøver et magnetfelt for at få elektroner til at optage topologisk ikke-trivielle udvidede tilstande, som reagerer på Laughlins adiabatiske flux-indsættelse ved at producere en kvantiseret Hall-strøm. Resultaterne i dette arbejde viser, at man ikke engang behøver et kinetisk energiudtryk i Hamiltonian for at dette kan ske."

Ja, ikke begrænset til det snoede tolags grafensystem, vores arbejde, for første gang, giver et Mott-Hubbard-perspektiv for QAH-tilstanden udelukkende drevet af interaktioner. Følgelig, vi afklarede det langvarige mysterium om den mulige eksistens af den topologiske Mott-isolator (TMI), byggestenen i den såkaldte informationsmotorvej på grund af dens evne til at overføre elektricitet og information uden tab.

Den berømte kinesisk-amerikanske fysiker, Professor Shou-Cheng ZHANG (1963-2018) og hans samarbejdspartnere foreslog første gang en sådan TMI-stat for omkring et årti siden, og efterfølgende, forskellige interaktionsmodeller er blevet undersøgt af mange teoretikere. Blandt alle de tidligere værker, de kinetiske termer spiller en afgørende rolle i fremkomsten af ​​QAH, og derfor, den opnåede tilstand bør ikke kaldes "TMI". Imidlertid, vores model slukker fuldstændigt for den kinetiske del og indeholder kun interaktionerne for at producere TMI-tilstanden. I denne forbindelse vores arbejde bygger bro mellem de to væsentlige felter i det kondenserede stofs fysik:topologi og den stærke korrelation. Yderligere udvidelse af vores modelkonstruktion og uvildige kvanteberegninger med mange krop kan tilgås herfra.

Påvirkning og fremtidige retninger

Da antallet af transistorer i chipsene på vores computer fordobles hver 18. måned, varmen, de genererede sammen med eloverførslen, er efterhånden et alvorligt problem. Opdagelsen af ​​den kvanteanomale Hall-effekt er af stor betydning, da der ikke afgives energi og ingen varme genereres i kanten. I praksis, en sådan tilstand er byggestenen i informationsmotorvejen og lover at blive anvendt i næste generations chip.

Opdagelsen af ​​QAH som den topologiske Mott-isolatortilstand i vores modelberegning ved fyldning v=3 kaster lys over de faser, der forekommer i magisk vinkel snoet dobbeltlagsgrafen. Yderligere omhyggelig modellering og beregning af systemets gittermodeller ville afsløre superledningsmekanismen og give bedre afstemning af disse eksotiske fænomener i dette og andet 2D-kvantemoiré-materiale. De nye resultater efterlader også mange åbne spørgsmål. For eksempel, hvorfor er den topologiske Mott-isolatortilstand fraværende ved andre fyldninger af båndstrukturen af ​​det magiske vinkel snoede dobbeltlag, hvordan man korrekt studerer og beregner modellens egenskaber væk fra heltalsfyldninger, etc? "Svarene på disse spørgsmål kan måske hjælpe fysikere til fuldt ud at afmystificere magien i dette materiale og designe mere spændende faser af stof i dette og andre 2D-kvantemoiré-materialer, der i øjeblikket studeres aktivt." Dr. Meng tilføjede, "Og vores forskningsaktivitet og ekspertise inden for 2D kvantematerialer kan styrke denne retning væsentligt, som er HKUs strategiske forskningstemaer."