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  • Um novo estado parental com quebra de simetria descoberto no grafeno de dupla camada torcida
    p A transição de fase de quebra de simetria no grafeno de ângulo mágico. Os quatro "sabores" de elétrons de Dirac preenchendo seus níveis de energia são representados por quatro "líquidos" preenchendo vidros cônicos. Crédito:Weizmann Institute of Science

    p Em 2018, foi descoberto que duas camadas de grafeno torcidas uma em relação à outra por um ângulo "mágico" mostram uma variedade de fases quânticas interessantes, incluindo supercondutividade, magnetismo e comportamentos isolantes. Agora, uma equipe de pesquisadores do Instituto de Ciência Weizmann liderada pelo Prof. Shahal Ilani do Departamento de Física da Matéria Condensada, em colaboração com o grupo do Prof. Pablo Jarillo-Herrero no MIT, descobriram que essas fases quânticas descendem de um "estado pai" de alta energia até então desconhecido com uma quebra incomum de simetria. p O grafeno é um cristal plano de carbono, apenas um átomo de espessura. Quando duas folhas deste material são colocadas uma sobre a outra, desalinhado em pequeno ângulo, um padrão "moiré" periódico aparece. Este padrão fornece uma rede artificial para os elétrons no material. Neste sistema de bicamada torcida, os elétrons vêm em quatro "sabores":spins "para cima" ou "para baixo, "combinado com dois" vales "que se originam na estrutura hexagonal do grafeno. Como resultado, cada site moiré pode conter até quatro elétrons, um de cada sabor.

    p Embora os pesquisadores já soubessem que o sistema se comporta como um simples isolante quando todos os locais de moiré estão completamente cheios (quatro elétrons por local), Jarillo-Herrero e seus colegas descobriram, para sua surpresa, em 2018, que em um ângulo "mágico" específico, o sistema torcido também se torna isolante em outros preenchimentos inteiros (dois ou três elétrons por sítio moiré). Esse comportamento, exibido por grafeno bicamada torcida de ângulo mágico (MATBG), não pode ser explicado pela física de uma única partícula, e é freqüentemente descrito como um "isolante de Mott correlacionado". Ainda mais surpreendente foi a descoberta de uma supercondutividade exótica próxima a essas obturações. Essas descobertas levaram a uma enxurrada de atividades de pesquisa com o objetivo de responder à grande questão:qual é a natureza dos novos estados exóticos descobertos no MATBG e em sistemas torcidos semelhantes?

    p Geração de imagens de elétrons de grafeno em ângulo mágico com detector de nanotubo de carbono

    p A equipe de Weizmann decidiu entender como os elétrons interagindo se comportam em MATBG usando um tipo único de microscópio que utiliza um transistor de elétron único de nanotubo de carbono, posicionado na borda de um cantilever da sonda de digitalização. Este instrumento pode criar imagens, no espaço real, o potencial elétrico produzido por elétrons em um material com extrema sensibilidade.

    p "Usando esta ferramenta, pudemos imaginar pela primeira vez a 'compressibilidade' dos elétrons neste sistema, isto é, como é difícil comprimir elétrons adicionais em um determinado ponto do espaço, "explica Ilani." Grosso modo, a compressibilidade dos elétrons reflete a fase em que estão:Em um isolador, elétrons são incompressíveis, ao passo que em um metal eles são altamente compressíveis. "

    p A compressibilidade também revela a "massa efetiva" dos elétrons. Por exemplo, no grafeno regular, os elétrons são extremamente "leves, "e, portanto, se comportam como partículas independentes que praticamente ignoram a presença de seus companheiros elétrons. No grafeno de ângulo mágico, por outro lado, Os elétrons são considerados extremamente "pesados" e seu comportamento é dominado por interações com outros elétrons - um fato que muitos pesquisadores atribuem às fases exóticas encontradas neste material. A equipe de Weizmann, portanto, esperava que a compressibilidade mostrasse um padrão muito simples em função do preenchimento de elétrons:a troca entre um metal altamente compressível com elétrons pesados ​​e isoladores Mott incompressíveis que aparecem em cada preenchimento de rede moiré inteiro.

    p Para sua surpresa, eles observaram um padrão muito diferente. Em vez de uma transição simétrica de metal para isolante e de volta para metal, eles observaram um agudo, salto assimétrico na compressibilidade eletrônica próximo às obturações inteiras.

    p "Isso significa que a natureza das operadoras antes e depois dessa transição é muito diferente, "diz o autor do estudo, Uri Zondiner." Antes da transição, as transportadoras são extremamente pesadas, e depois disso eles parecem ser extremamente leves, uma reminiscência dos 'elétrons de Dirac' que estão presentes no grafeno. "

    p O mesmo comportamento foi visto se repetindo perto de cada preenchimento de número inteiro, onde os portadores pesados ​​abruptamente cederam e os elétrons leves do tipo Dirac ressurgiram.

    p Mas como essa mudança abrupta na natureza dos portadores pode ser entendida? Para resolver esta questão, a equipe trabalhou em conjunto com os teóricos de Weizmann, os Profs. Erez Berg, Yuval Oreg e Ady Stern, e Dra. Raquel Quiroez; bem como o Prof. Felix von-Oppen da Freie Universität Berlin. Eles construíram um modelo simples, revelando que os elétrons preenchem as bandas de energia em MATBG de uma maneira "Sísifica" altamente incomum:quando os elétrons começam a se preencher a partir do "ponto de Dirac" (o ponto em que as bandas de valência e condução apenas se tocam), eles se comportam normalmente, sendo distribuído igualmente entre os quatro sabores possíveis. "Contudo, quando o preenchimento se aproxima de um número inteiro de elétrons por local de superrede moiré, ocorre uma transição de fase dramática, "explica o autor principal do estudo, Asaf Rozen." Nesta transição, um sabor 'agarra' todas as operadoras de seus pares, 'redefinindo-os de volta ao ponto Dirac de carga neutra. "

    p "Deixado sem elétrons, os três sabores restantes precisam começar a ser recarregados do zero. Eles fazem isso até que outra transição de fase ocorra, onde, desta vez, um dos três sabores restantes agarra todas as operadoras de seus pares, empurrando-os de volta à estaca zero. Os elétrons, portanto, precisam escalar uma montanha como Sísifo, being constantly pushed back to the starting point in which they revert to the behavior of light Dirac electrons, " says Rozen. While this system is in a highly symmetric state at low carrier fillings, in which all the electronic flavors are equally populated, with further filling it experiences a cascade of symmetry-breaking phase transitions that repeatedly reduce its symmetry.

    p A 'parent state'

    p "What is most surprising is that the phase transitions and Dirac revivals that we discovered appear at temperatures well above the onset of the superconducting and correlated insulating states observed so far, " says Ilani. "This indicates that the broken symmetry state we have seen is, na verdade, the 'parent state' out of which the more fragile superconducting and correlated insulating ground states emerge."

    p The peculiar way in which the symmetry is broken has important implications for the nature of the insulating and superconducting states in this twisted system.

    p "Por exemplo, it is well known that stronger superconductivity arises when electrons are heavier. Our experiment, Contudo, demonstrates the exact opposite:superconductivity appears in this magic-angle graphene system after a phase transition has revived the light Dirac electrons. How this happens, and what it tells us about the nature of superconductivity in this system compared to other more conventional forms of superconductivity remain interesting open questions, " says Zondiner.

    p A similar cascade of phase transitions was reported in another paper published in the same Natureza issue by Prof. Ali Yazdani and colleagues at Princeton University. "The Princeton team studied MATBG using a completely different experimental technique, based on a highly-sensitive scanning tunneling microscope, so it is very reassuring to see that complementary techniques lead to analogous observations, " says Ilani.

    p The Weizmann and MIT researchers say they will now use their scanning nanotube single-electron-transistor platform to answer these and other basic questions about electrons in various twisted-layer systems:What is the relationship between the compressibility of electrons and their apparent transport properties? What is the nature of the correlated states that form in these systems at low temperatures? And what are the fundamental quasiparticles that make up these states?

    p O estudo, "Cascade of phase transitions and Dirac revivals in magic angle graphene, " was published June 11 in the journal Natureza .


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