A detecção direta de uma transição de fase topológica por meio de uma mudança de sinal no dipolo de curvatura Berry

Um esquema de grafeno de dupla camada torcida torcida (TDBG). Duas camadas de grafeno de duas camadas, quando giradas uma sobre a outra por um pequeno ângulo θ, criam grandes células moiré hexagonais. A linha marrom descreve uma dessas células moiré. A tensão distorce as células moiré. Crédito:Sinha et al.

A curvatura de Berry e o número de Chern são qualidades topológicas cruciais de origem mecânica quântica que caracterizam a função de onda eletrônica dos materiais. Esses dois elementos desempenham um papel muito importante na determinação das propriedades de materiais específicos.
Embora muitos estudos tenham tentado determinar como a curvatura de Berry e o número de Chern afetam as propriedades dos materiais, detectá-los em um ambiente experimental pode ser muito difícil. O grafeno de dupla camada torcida, um material que consiste em dois cristais de grafeno de camada dupla empilhados, é uma plataforma particularmente promissora para manipular a curvatura de Berry e os números de Chern do vale de bandas planas topológicas e, assim, estudar seus efeitos.

Pesquisadores do Tata Institute of Fundamental Research, do Indian Institute of Technology e do Jawaharlal Nehru Center for Advanced Scientific Research examinam as propriedades ajustáveis do grafeno de dupla camada torcida há mais de três anos. Em seu estudo mais recente, apresentado em Nature Physics , eles foram capazes de detectar diretamente uma transição topológica em uma super-rede moiré controlando a mudança de sinal no dipolo de curvatura de Berry.

Este artigo baseia-se em trabalhos anteriores do Prof. Mandar Deshmukh com foco no grafeno de dupla camada torcida. Em um de seus estudos anteriores, por exemplo, os pesquisadores introduziram estratégias para detectar a curvatura de Berry, que então aplicaram em seus experimentos recentes.

"Antes de começarmos a trabalhar neste projeto, o grupo do Prof. Amit Agarwal estava teoricamente analisando diferentes contribuições do Hall devido aos efeitos da mecânica quântica", disse Subhajit Sinha, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. “Na véspera de Natal de 2020, ele nos escreveu sobre a medição do efeito Hall não linear em nossas amostras. Talvez algumas estrelas estivessem alinhadas, porque de fato medimos algum sinal!"

Depois de validar suas observações e medições iniciais realizando várias verificações cruzadas, a equipe foi capaz de determinar com um alto grau de certeza que eles de fato mediram o efeito Hall quântico não linear em sua amostra de grafeno de dupla camada torcida. Eles então realizaram outras análises em colaboração com o grupo de pesquisa do Prof. Amit para demonstrar que haviam observado diretamente uma transição topológica.

Em seus experimentos recentes, o grupo do Prof. Mandar no TIFR mediu especificamente a tensão Hall não linear em sua amostra de grafeno de dupla camada torcida. Esta é uma tensão não linear que pode ser acionada por uma corrente elétrica perpendicular no plano na medição da barra Hall.

O dipolo de curvatura Berry (BCD) de TDBG, indicado por meio de cores. A cor roxa escura indica um BCD negativo, enquanto a cor amarela brilhante indica um BCD positivo. Ao aumentar a magnitude do campo elétrico perpendicular, podemos percorrer a seta tracejada para detectar a mudança de sinal do BCD. A mudança de sinal do BCD ocorre devido a uma transição topológica. Crédito:Sinha et al.

"Normalmente, a tensão Hall desenvolve-se perpendicularmente ao fluxo de corrente quando um campo magnético externo é aplicado perpendicularmente ao plano da amostra." Sinha explicou. "Curiosamente, o trabalho teórico pioneiro de Sodemann e Fu mostrou que também se pode ter uma voltagem Hall na ausência de um campo magnético mesmo em materiais não magnéticos devido a bandas topológicas, e medimos essa voltagem."

O efeito combinado de uma curvatura de Berry diferente de zero e pequenas quantidades de tensão no sistema de grafeno de bicamada torcida pode dar origem ao que é conhecido como "dipolo de curvatura de Berry". Essa medição exclusiva gera uma tensão Hall não linear que escala quadraticamente com a corrente aplicada a uma amostra de material.

"Aplicamos uma corrente de baixa frequência e medimos a tensão Hall com o dobro da frequência da corrente aplicada para detectar a tensão Hall não linear", disse Sinha. "Então, usamos uma análise de escala para detectar uma mudança de sinal no dipolo de curvatura de Berry, indicando uma transição de fase topológica".

As transições de fase topológica são incrivelmente difíceis de detectar experimentalmente. No entanto, muitos estudos teóricos e experimentais sugeriram recentemente uma transição na topologia das bandas de grafeno de dupla camada torcida. O trabalho recente da equipe oferece uma observação direta dessa transição de fase em um ambiente experimental.

"Usando medições de transporte, detectamos essa transição topológica diretamente por meio de uma mudança de sinal no dipolo de curvatura Berry", explicou Sinha. "Isso nos dá uma alça experimental para sondar a física geométrica da banda e as transições de fase topológica simultaneamente."

As descobertas reunidas por esta equipe de pesquisadores podem ter implicações muito importantes para o estudo de transições de fase topológicas em grafeno de dupla camada torcida. No futuro, os métodos que eles empregam podem ajudar na detecção de transições topológicas em outros materiais e sistemas.

"Uma direção futura imediata para o nosso trabalho pode ser usar nossa técnica para mapear a transição de fase em função do ângulo de torção ou ordem de empilhamento", acrescentou Sinha. "Além disso, esperamos que nosso método também seja emulado em outros materiais 2D ou mesmo 3D para caracterizar transições de fase topológicas semelhantes. banda propriedades geométricas e topológicas dos materiais. Teremos que esperar e ver os caminhos interessantes que os efeitos não lineares podem acessar, à medida que se desenrolam." + Explorar mais