Nematicity er en ny brik i dobbelt tolags grafen fasediagram puslespil

Selvom snoede plader af dobbelt-dobbelt-grafen er blevet undersøgt grundigt de sidste par år, mangler der stadig brikker i puslespillet, som er dets fasediagram - systemets forskellige uforstyrrede grundtilstande. At skrive i Naturfysik , Carmen Rubio-Verdú og kolleger har fundet en ny puslespilsbrik:en elektronisk nematisk fase.

Først beskrevet i en anden tilstand af stof kaldet en flydende krystal, opstår en nematisk fase, når partikler i et materiale bryder en ellers symmetrisk struktur og kommer til at orientere sig løst med hinanden langs samme akse. Dette fænomen er grundlaget for LCD-skærmen, der almindeligvis bruges i fjernsyn og computerskærme. I en elektronisk nematisk fase er de pågældende partikler elektroner, hvis adfærd og arrangement i et materiale kan påvirke, hvor godt det materiale vil lede en elektrisk strøm i forskellige retninger.

"Dataene er fantastiske," siger medforfatter Rafael Fernandes, en teoretisk fysiker ved University of Minnesota, der mødte seniorforfatteren Abhay Pasupathy som postdoc ved Columbia. "Du kan tydeligt se, at der er en symmetri, der brydes."

Brudte symmetrier giver ofte nye kvanteeffekter, forklarede han. Snoet dobbeltlagsgrafen har normalt tredobbelt symmetri - uanset hvor mange gange du roterer et billede af det i 120 graders drejninger, forbliver det det samme. Ved at bruge scanning tunneling mikroskopi og spektroskopi til at registrere de elektroniske egenskaber af individuelle atomer, optog Rubio-Verdú og hendes kolleger snoet grafen ved forskellige spændinger. "Det, vi ser, er striber," sagde hun - det er elektroner, der genjusterer og bryder prøvens symmetri, selvom det underliggende atomgitter forbliver det samme. I denne observerede nematiske fase kan billedet nu kun vendes 180 grader.

"Disse faser opstår fra elektron-elektron-interaktioner," sagde Rubio-Verdú, en Marie Skłodowska-Curie Actions Fellow, der studerer elektroniske faser i moiré-materialer som snoet grafen med Pasupati. "At finde en ny fase som denne er spændende, fordi det bidrager til vores holistiske forståelse af grafen-baserede systemer."

Tidligere eksperimenter antydede, at en sådan korreleret elektronisk fase eksisterede i snoet grafen, men det var uklart, om dette faktisk var resultatet af belastning på tværs af det snoede materiale. Strain kan også lokke elektroner til at bevæge sig rundt, men dette er en mekanisk snarere end elektronisk effekt, forklarede Rubio-Verdú. I dette eksperiment brugte holdet en snoet grafenprøve, der var relativt stor, men havde ekstremt lav belastning - kun 0,03 procent. "Vi ser på hundredvis af nanometer, og effekten varer ved," sagde Rubio-Verdú. "Dette er en faktisk elektronisk nematisk fase."

Teoretisk set kunne en sådan fase eksistere i ethvert grafenbaseret materiale. I fremtidigt arbejde planlægger teamet at undersøge, hvordan den nematiske fase påvirker snoet dobbelt-dobbelt-grafens evne til at lede en elektrisk strøm.

At forstå hele rækken af ​​elektronisk adfærd i moiré-materialer som snoet grafen kan en dag hjælpe fysikere med at få bedre forstand på en anden kvantefase, superledning, hvor en elektrisk strøm bevæger sig gennem et materiale med nul modstand. Denne fase forekommer dog i øjeblikket ved meget lave temperaturer - selv såkaldte højtemperatur-superledere, der bruges i enheder som MRI-maskiner, skal holdes næsten 100 °F under nul. Selvom moirématerialer som snoet grafen studeres ved temperaturer nær -450 °F, deler de ligheder med højtemperatursuperledere, sagde Rubio-Verdú, ligesom superledende og isolerende tilstande, der afhænger af elektrondoping.

Feltet stiller stadig grundlæggende spørgsmål om arten af ​​moiré-materialer, men opdagelsen af ​​en elektronisk nematisk fase i snoet dobbelt-dobbelt-grafen er blot endnu en brik i det puslespil, der nu er lagt på plads. "Vi ser elektronisk nematicitet i en anden klasse af forbindelser," sagde Fernandes. "Da folk finder ud af alle mulige forskellige måder at vride forskellige lag på, vil vi nu finde ud af, hvad der er fælles og robust." + Udforsk yderligere

Observation af korrelerede tilstande og superledning i snoet trelagsgrafen