Ao longo dos últimos anos, um número crescente de pesquisadores em todo o mundo tem conduzido estudos que investigam as propriedades e características dos materiais chamados twisted van der Waals (vdW). Esta classe única de materiais pode ser uma plataforma ideal para examinar fases correlacionadas que ocorrem como resultado de fortes interações entre elétrons.

Pesquisadores da University of Washington e do National Institute for Materials Science no Japão realizaram recentemente um estudo explorando especificamente estados de isolamento correlacionados que podem ocorrer em heteroestruturas vdW torcidas e que podem ser ajustados mudando o ângulo de torção e aplicando um campo elétrico externo. Em seu jornal, publicado em Física da Natureza , eles apresentam medições de transporte elétrico de grafeno de dupla camada dupla torcida, a partir do qual eles foram capazes de examinar o papel da quebra espontânea de simetria no diagrama de fases do material.

Os físicos da matéria condensada sabem como isolar folhas monocamadas de materiais como o grafeno há mais de 15 anos usando um procedimento de esfoliação com fita adesiva. Eles agora também sabem pegar folhas atômicas finas individualmente e montá-las umas sobre as outras. Se eles forem girados por um pequeno ângulo de torção, surge um padrão de interferência geométrica denominado padrão moiré. Este padrão pode modificar fortemente as propriedades eletrônicas de uma estrutura composta.

"Em certos casos, o padrão moiré pode resultar em novos estados eletrônicos espetaculares que são impulsionados por fortes interações entre os elétrons no material, "Matthew Yankowitz, professor assistente de Física e Ciência de Materiais e Engenharia da Universidade de Washington, quem realizou o estudo, disse a Phys.org. "Isso foi descoberto pela primeira vez em 2018 por pesquisadores do MIT, que observou supercondutividade e correlacionou estados de isolamento ao empilhar duas folhas de grafeno de monocamada torcidas por 1,1 ° (isto é, grafeno de dupla camada torcida em ângulo mágico). Esses estados correlacionados são especialmente excitantes porque residem em uma estrutura estequiometricamente simples composta inteiramente de átomos de carbono e podem ser ajustados dinamicamente usando uma série de botões experimentais como dopagem de carga, ângulo de torção e pressão. "

Estados correlacionados semelhantes também foram observados anteriormente em cristais em massa, ainda nestes materiais, eles eram muito mais difíceis de ajustar e modelar teoricamente devido às estruturas complexas dos cristais. Compreender esses estados fortemente correlacionados, portanto, permanece um desafio chave na física da matéria condensada.

O objetivo do trabalho recente de Yankowitz e seus colegas era obter insights sobre como esses estados correlacionados em heteroestruturas vdW podem ser usados ​​em pesquisa e desenvolvimento de tecnologia. Pouco depois de terem sido vistos pela primeira vez em grafeno de dupla camada torcida em ângulo mágico, equipes de pesquisa em todo o mundo perceberam que esses estados também podem ser encontrados em heteroestruturas contendo duas folhas torcidas de grafeno de dupla camada (ou seja, quatro camadas de grafeno no total).

"Nesse caso, os estados correlacionados podem, adicionalmente, ser controlados por um campo elétrico aplicado perpendicular às folhas de grafeno, "Yankowitz explicou." No entanto, a natureza exata desses estados permaneceu um tanto misteriosa. Em particular, havia características semelhantes a uma forma exótica de supercondutividade, Contudo, a origem exata dessas características não era bem compreendida. A principal motivação de nosso estudo foi abordar essas questões estudando o grafeno de dupla camada dupla torcida com sintonia elétrica. "

Como parte de seu estudo, Yankowitz e seus colegas mediram o transporte elétrico em função da temperatura e do campo magnético. Quando há um pequeno campo magnético, o sinal de resistência transversal à corrente aplicada, que é conhecido como resistência Hall, indica que tipo de partículas subatômicas (ou seja, elétrons ou 'buracos') são os principais portadores de carga dentro de um material.

Quando os estados correlacionados quebram espontaneamente uma simetria (ou seja, ou spin do elétron ou simetria de vale) em grafeno de dupla camada dupla torcida a baixas temperaturas, a estrutura eletrônica do material muda rapidamente, e suas operadoras de carga primária também podem mudar. Portanto, medir simultaneamente a resistividade do material e o efeito Hall pode oferecer uma visão valiosa sobre os estados correlacionados dentro dele.

"Medindo cuidadosamente a resistividade e o efeito Hall do grafeno de dupla camada dupla torcida em função da temperatura, descobrimos que a resistividade abrupta cai, uma reminiscência de supercondutividade, também foram associados a uma mudança simultânea de sinal em sua resistência Hall, "disse Xiaodong Xu, professor de Física e Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade de Washington. "Esta observação é mais consistente com o início da ordenação magnética devido à quebra espontânea da simetria do que com a supercondutividade."

Interessantemente, a queda de resistividade observada por Yankowitz, Xu e seus colegas no grafeno de dupla camada dupla torcida sofrem a mudança mais acentuada em função da temperatura no limite dos estados de quebra de simetria. Como parte de seu estudo, os pesquisadores também investigaram o transporte em função da polarização causada por uma corrente elétrica aplicada.

Quando eles aplicaram uma corrente ao material, eles observaram assinaturas associadas ao transporte não linear. Embora o transporte não linear também seja observado em estados supercondutores, eles descobriram que em sua amostra era provavelmente o resultado de mecanismos de aquecimento Joule.

"Nosso trabalho fornece uma nova compreensão crítica de características anteriormente misteriosas associadas a estados correlacionados em grafeno de dupla camada dupla torcida, "Yankowitz disse." Embora não possamos descartar diretamente a supercondutividade, nossos resultados sugerem que o magnetismo impulsionado pela quebra espontânea da simetria é um candidato plausível para o estado metálico correlacionado no grafeno de dupla camada dupla torcida. "

Nos últimos anos, características semelhantes à supercondutividade semelhantes às examinadas por esta equipe de pesquisadores foram observadas em uma ampla variedade de heteroestruturas moiré vdW. As novas descobertas que eles apresentaram podem ajudar a diferenciar esses estados da supercondutividade que estudos anteriores revelaram no grafeno de dupla camada torcida em ângulo mágico.

Além disso, as observações coletadas por Yankowitz, Xu e seus colegas poderiam ajudar a compreender melhor a natureza dos estados correlacionados em heteroestruturas moiré vdW de um ponto de vista teórico, que até agora tem se mostrado altamente desafiador. Os pesquisadores estão planejando usar o conhecimento que obtiveram para desenvolver sondagens mais diretas para a compreensão desses estados.

"Uma vez que nossos resultados sugerem que os estados metálicos correlacionados são magneticamente ordenados, gostaríamos de observar assinaturas diretas desse magnetismo usando uma combinação de transporte elétrico e espectroscopia óptica, "Yankowitz disse." Também estamos investigando novas maneiras de controlar esses estados correlacionados, por exemplo, aplicando alta pressão para modificar o acoplamento intercamada e a estrutura cristalina do material. Finalmente, a teoria prevê que este material pode hospedar estados topológicos, como o efeito Hall anômalo quântico, portanto, agora estamos procurando maneiras de expor e sondar essa topologia não trivial. "

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