En 2018 se descubrió que dos capas de grafeno retorcidas una con respecto a la otra por un ángulo "mágico" muestran una variedad de fases cuánticas interesantes, que incluyen superconductividad, magnetismo y comportamientos aislantes. Ahora, un equipo de investigadores del Instituto Weizmannof Science dirigido por el Prof. Shahal Ilani del Departamento de Física de la Materia Condensada, en colaboración con el grupo del Prof. Pablo Jarillo-Herrero en el MIT, han descubierto que estas fases cuánticas descienden de un "estado padre" de alta energía previamente desconocido, con un inusualruptura de la simetría.
El grafeno es un cristal plano de carbono, de solo un átomo de espesor. Cuando se colocan dos láminas de este material una encima de la otra, desalineadas en un ángulo pequeño, aparece un patrón periódico "moiré". Este patrón proporciona una red artificial para elelectrones en el material. En este sistema bicapa retorcido, los electrones vienen en cuatro "sabores": giros "hacia arriba" o "hacia abajo", combinados con dos "valles" que se originan en la red hexagonal del grafeno. Como resultado, cada sitio de muaré puedecontener hasta cuatro electrones, uno de cada sabor.
Si bien los investigadores ya sabían que el sistema se comporta como un simple aislante cuando todos los sitios de muaré están completamente llenos cuatro electrones por sitio, Jarillo-Herrero y sus colegas descubrieron para su sorpresa, en 2018, que en una "magia" específicaángulo, el sistema retorcido también se vuelve aislante en otros rellenos enteros dos o tres electrones por sitio de muaré. Este comportamiento, exhibido por el grafeno bicapa retorcido de ángulo mágico MATBG, no puede explicarse por la física de partículas individuales, y a menudo se describe comoun "aislante de Mott correlacionado". Aún más sorprendente fue el descubrimiento de una superconductividad exótica cerca de estos rellenos. Estos hallazgos llevaron a una serie de actividades de investigación con el objetivo de responder a la gran pregunta: ¿cuál es la naturaleza de los nuevos estados exóticos descubiertos en MATBG ysistemas retorcidos similares?
Imágenes de electrones de grafeno de ángulo mágico con un detector de nanotubos de carbono
El equipo de Weizmann se propuso comprender cómo se comportan los electrones que interactúan en MATBG utilizando un tipo único de microscopio que utiliza un transistor de un solo electrón de nanotubos de carbono, ubicado en el borde de una sonda de escaneo en voladizo. Este instrumento puede obtener imágenes, en espacio real,El potencial eléctrico producido por los electrones en un material con extrema sensibilidad.
"Usando esta herramienta, podríamos imaginar por primera vez la 'compresibilidad' de los electrones en este sistema, es decir, cuán difícil es exprimir electrones adicionales en un punto dado en el espacio", explica Ilani. "Aproximadamentehablando, la compresibilidad de los electrones refleja la fase en la que se encuentran: en un aislante, los electrones son incompresibles, mientras que en un metal son altamente compresibles ".
La compresibilidad también revela la "masa efectiva" de los electrones. Por ejemplo, en el grafeno regular los electrones son extremadamente "ligeros" y, por lo tanto, se comportan como partículas independientes que prácticamente ignoran la presencia de sus compañeros electrones. En el grafeno de ángulo mágico, enPor otro lado, se cree que los electrones son extremadamente "pesados" y su comportamiento está dominado por interacciones con otros electrones, un hecho que muchos investigadores atribuyen a las fases exóticas encontradas en este material. El equipo de Weizmann por lo tanto esperaba que la compresibilidad mostrarapatrón muy simple en función del relleno de electrones: intercambio entre un metal altamente compresible con electrones pesados y aisladores Mott incompresibles que aparecen en cada relleno de celosía de muaré entero.
Para su sorpresa, observaron un patrón muy diferente. En lugar de una transición simétrica de metal a aislante y de regreso a metal, observaron un salto brusco y asimétrico en la compresibilidad electrónica cerca de los rellenos enteros.
"Esto significa que la naturaleza de los transportistas antes y después de esta transición es marcadamente diferente", dice el autor principal del estudio, Uri Zondiner. "Antes de la transición, los transportistas son extremadamente pesados, y después de eso parecen ser extremadamente livianos, recuerdan alos 'electrones de Dirac' que están presentes en el grafeno "
Se observó que el mismo comportamiento se repetía cerca de cada relleno entero, donde los portadores pesados cedieron abruptamente y resurgieron electrones ligeros similares a Dirac
¿Pero cómo puede entenderse un cambio tan abrupto en la naturaleza de los transportistas? Para abordar esta pregunta, el equipo trabajó junto con los teóricos de Weizmann Profs. Erez Berg, Yuval Oreg y Ady Stern, y la Dra. Raquel Quiroez; así comoProf. Felix von-Oppen de la Freie Universität Berlin. Construyeron un modelo simple, revelando que los electrones llenan las bandas de energía en MATBG de una manera muy inusual "Sisyphean": cuando los electrones comienzan a llenarse desde el "punto de Dirac"las bandas de valencia y conducción se tocan entre sí, se comportan normalmente y se distribuyen equitativamente entre los cuatro sabores posibles. "Sin embargo, cuando el relleno se acerca al de un número entero de electrones por sitio de superredes de muaré, se produce una transición de fase dramática".explica el autor principal del estudio, Asaf Rozen. "En esta transición, un sabor 'toma' a todos los transportistas de sus pares, 'restableciéndolos' al punto de Dirac neutral a la carga".
"Sin electrones, los tres sabores restantes deben comenzar a rellenarse nuevamente desde cero. Lo hacen hasta que se produce otra transición de fase, donde esta vez uno de los tres sabores restantes toma a todos los portadores de sus pares, empujándolos de nuevo acuadrado uno. Por lo tanto, los electrones necesitan escalar una montaña como Sísifo, siendo constantemente empujados hacia el punto de partida en el que vuelven al comportamiento de los electrones dirac ligeros ", dice Rozen. Mientras este sistema está en un estado altamente simétrico con rellenos de baja portadora, en el que todos los sabores electrónicos están igualmente poblados, con un mayor llenado experimenta una cascada de transiciones de fase de ruptura de simetría que reducen repetidamente su simetría.
Un "estado padre"
"Lo más sorprendente es que las transiciones de fase y los reavivamientos de Dirac que descubrimos aparecen a temperaturas muy superiores al inicio de los estados aislantes superconductores y correlacionados observados hasta ahora", dice Ilani. "Esto indica que el estado de simetría roto que tenemosvisto es, de hecho, el 'estado padre' del cual emergen los estados fundamentales aislantes superconductores más correlacionados ".
La forma peculiar en que se rompe la simetría tiene implicaciones importantes para la naturaleza de los estados aislantes y superconductores en este sistema retorcido.
"Por ejemplo, es bien sabido que la superconductividad más fuerte surge cuando los electrones son más pesados. Nuestro experimento, sin embargo, demuestra exactamente lo contrario: la superconductividad aparece en este sistema de grafeno de ángulo mágico después de que una transición de fase ha revivido los electrones dirac ligeros. Cómoesto sucede, y lo que nos dice sobre la naturaleza de la superconductividad en este sistema en comparación con otras formas más convencionales de superconductividad siguen siendo preguntas abiertas interesantes ", dice Zondiner.
Una cascada similar de transiciones de fase se informó en otro artículo publicado en el mismo Naturaleza tema del Prof. Ali Yazdani y colegas de la Universidad de Princeton. "El equipo de Princeton estudió MATBG utilizando una técnica experimental completamente diferente, basada en un microscopio de túnel de barrido altamente sensible, por lo que es muy tranquilizador ver que las técnicas complementarias conducen a métodos análogosobservaciones ", dice Ilani.
Los investigadores de Weizmann y el MIT dicen que ahora usarán su plataforma de transistor de electrones simples de nanotubos de barrido para responder estas y otras preguntas básicas sobre los electrones en varios sistemas de capa retorcida: ¿Cuál es la relación entre la compresibilidad de los electrones y su transporte aparente?propiedades? ¿Cuál es la naturaleza de los estados correlacionados que se forman en estos sistemas a bajas temperaturas? ¿Y cuáles son las cuasipartículas fundamentales que componen estos estados?
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Ciencias Weizmann . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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