Ao longo dos últimos anos, muitos físicos e cientistas de materiais em todo o mundo têm investigado as propriedades e características do grafeno de bicamada torcida de ângulo mágico (MATBG). MATBG é um material fortemente correlacionado que foi realizado experimentalmente pela primeira vez em 2018. Este material exclusivo hospeda uma gama diversificada de fases altamente correlacionadas, incluindo metais, semimetais, Isoladores Chern, estados hall anômalos quânticos e, talvez o mais interessante, supercondutividade.

Pesquisadores da Universidade da Califórnia, Berkeley (UC Berkeley) realizou recentemente um estudo investigando os efeitos da heterostrain uniaxial no diagrama de fase de interação de MATBH. Suas descobertas, publicado em Cartas de revisão física , sugerem que pequenos valores de deformação levaram a uma transição de fase de temperatura zero entre dois estados, a saber, o isolador coerente intervalley de Kramers com simetria quebrada e as fases semimetais nemáticas.

"Um dos principais objetivos do nosso campo é entender a origem da supercondutividade no MATBG e desenvolver o mecanismo responsável, "Daniel Parker e Tomo Soejima, dois dos pesquisadores que realizaram o estudo, disse ao Phys.org por e-mail. "Contudo, há um quebra-cabeça importante do diagrama de fase MATBG, o que complica qualquer tentativa de adivinhar a natureza da supercondutividade, ou seja, na neutralidade de carga, alguns experimentos encontram um estado semimetálico, enquanto outros veem isoladores. Nosso trabalho propõe que uma determinada transição de fase pode resolver essa discrepância. "

Todas as ações e mudanças em MATBG ocorrem no que são conhecidas como suas bandas ativas. Essas bandas incluem 2 bandas de Chern, vezes 2 vales e vezes 2 giros, para um total de 8. Os cientistas podem ajustar facilmente o número de elétrons no sistema experimentalmente, o que, por sua vez, permite que sintonizem essas bandas de todas vazias a todas cheias.

"Como analogia, pode-se pensar nisso como ter 8 baldes que podem ser enchidos com água, "Parker explicou." Para uma determinada quantidade de água, o MATBG escolhe um, e apenas um, maneira de distribuir a água. Por exemplo, se houver dois baldes de água, então o MATBG pode escolher encher 2 baldes até a borda, ou para encher 4 baldes cada meio. A fase do sistema é rotulada por duas coisas:1. como a água (elétrons) é distribuída nos baldes (bandas) e 2. quão difícil é adicionar mais uma gota de água (ou seja, se o sistema é isolante ou condutor). "

Embora a natureza isolante ou condutora de um sistema seja bastante fácil de inferir experimentalmente, a distribuição de elétrons nas bandas de MATBH muito mais difícil de determinar. Em seu jornal, Parker, Soejima e seus colegas queriam explorar o que acontece quando o número de elétrons é tal que cancela a carga dos átomos de carbono (conhecido como ponto de neutralidade de carga) ou, ao considerar a analogia dos baldes de água, se os baldes estiverem cheios de água até a metade.

Embora alguns estudos anteriores que investigam isso tenham observado estados de isolamento (ou seja, onde é difícil adicionar "mais uma gota"), outros observaram metais ou estados semimetálicos em vez disso. Do ponto de vista teórico, trabalhos anteriores de Nick Bultinck e seus colaboradores sugerem que o estado de isolamento poderia ser um estado coerente de Kramers-intervalley (KIVC). Para explicar isso usando a analogia do balde de água, seria como se todos os baldes estivessem cheios até a metade, mas eles foram estranhamente emparelhados com um parceiro preenchido apenas na metade esquerda e o outro preenchido apenas na direita.

"Um trabalho posterior de Bultinck e seus colegas mostrou que este estado é uma possível origem para a supercondutividade em MATBG, "Parker e Soejima disseram." A fase semimetálica alternativa é muito mais convencional, onde a metade inferior de cada balde é preenchida. A principal questão que procuramos responder era por que, quando a teoria anterior previu um estado KIVC, pode-se observar o semimetal em vez disso. "

Uma possível razão para as discrepâncias nas observações anteriores é que dispositivos diferentes têm hamiltonianos ligeiramente diferentes. Algumas equipes conseguiram usar um modelo simplificado de MATBG, introduzido pela primeira vez por Bistrizter e McDonald, para investigar as propriedades das amostras MATBG.

Estudos recentes, Contudo, revelou que em sua forma original, o chamado modelo BM, não captura tunelamento não local presente no DFT, alinhamento com substrato hBN, e renormalização da estrutura de banda de férmion livre, e outros efeitos. Parker, Soejima e seus colegas queriam determinar que efeito poderia ser considerado para explicar a discrepância observada.

"Bultinck tinha uma suspeita astuta de que a tensão poderia ser o culpado responsável por esta discrepância, "Parker e Soejima disseram." Embora uma forma realista de modelar a cepa em MATBG já tenha sido proposta e seu efeito na estrutura de banda sem interação (ou seja, solução do hamiltoniano sem interação de Coulomb) foram investigados, seu efeito no diagrama de fase na presença de interação não havia sido investigado até agora. "

Para testar a hipótese apresentada por Bultinck, os pesquisadores usaram duas técnicas numéricas complementares, conhecido como Hartree-Fock (HF) autoconsistente e grupo de renormalização da matriz de densidade (DMRG). Hartree-Fock é uma aproximação padrão que incorpora os efeitos mais importantes das interações elétron-elétron. Essa aproximação é altamente flexível; portanto, permite aos pesquisadores examinar grandes tamanhos de sistema de células de 24 x 24 unidades.

"Uma vez que HF é uma aproximação, há sempre a possibilidade assustadora de que esteja produzindo uma fase "falsa", "Parker e Soejima disseram" Portanto, usamos DMRG para descartar isso. DMRG é uma técnica numérica imparcial que, com poder computacional suficiente, irá determinar a verdadeira fase do sistema. Usá-lo para sistemas 2D com interações de longo alcance, como temos aqui, não é trivial, e requer técnicas especiais desenvolvidas por nós em um artigo anterior. "

Em comparação com a aproximação de HF, DMRG é mais lento, mais caro e só pode ser usado para examinar sistemas pequenos. Para obter resultados confiáveis, Parker, Soejima e seus colegas decidiram usar HF e DMRG em conjunto, como HF permitiu mapear todo o diagrama de fase e DMRG para verificar se a aproximação de HF estava correta.

"A principal descoberta do nosso trabalho é que pequenas quantidades de heteroestração (precisamente na faixa de ε∼0,1% –0,2%) podem destruir a fase KIVC e substituí-la por um semimetal, "Parker e Soejima disseram." Qualquer folha de grafeno feita no laboratório está sempre sob algum estresse, que o comprime em uma direção enquanto o estica na outra. No MATBG, um tem a possibilidade adicional de heterostrain, onde a camada superior é comprimida ao longo do eixo de alongamento da camada inferior, e vice versa."

No passado, alguns pesquisadores realizaram experimentos medindo a heterostrain presente nas amostras de MATBG e descobriram que ela era minúscula, variando entre 0,1% - 0,7%. Quando Parker, Soejima, e seus colegas começaram a explorar este tópico, eles estavam bastante céticos de que uma quantidade tão pequena de tensão teria efeitos específicos, assim, seus resultados foram uma surpresa para eles.

"Uma implicação de nossas descobertas é que a tensão é um parâmetro importante para caracterizar experimentalmente, "Parker e Soejima disseram." Os experimentalistas que fazem e medem o grafeno de dupla camada torcida fazem um trabalho incrível de malabarismo e controle de muitas fontes de erros. Eliminar uma quantidade tão pequena de tensão é provavelmente terrivelmente complicado, mas suspeitamos que alguém vai descobrir uma maneira de fazer isso mais cedo ou mais tarde. "

Geral, os resultados sugerem que a tensão é um importante 'botão giratório' no MATBG, pois pode provocar transições de fase, portanto, deve ser medido e caracterizado sempre que possível. Esta observação pode ter implicações importantes para pesquisas futuras na ciência dos materiais, pois poderia ajudar a melhorar o desempenho do grafeno de dupla camada torcida.

"Nosso próximo objetivo é entender a origem da supercondutividade no grafeno de ângulo mágico, "Parker e Soejima disseram." Uma proposta intrigante é que pode ser mediado por quasipartículas chamadas Skyrmions em vez dos fônons padrão. Se este for realmente o caso, esperamos confirmá-lo estendendo as ferramentas usadas neste trabalho. "

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