Imagine empilhar duas folhas de grafeno - a forma 2D de grafite, ou o lápis em sua mão - em que os átomos de carbono formam uma rede hexagonal e torce a folha superior para fora do alinhamento com a folha abaixo, produzindo um arranjo periódico de átomos denominado padrão moiré. Você sabia que em um ângulo torcido de cerca de 1 ° - as pessoas agora chamam de ângulo 'mágico' - o sistema pode exibir comportamentos muito exóticos, como se tornar um isolante, um metal ou mesmo um supercondutor? Você pode imaginar o mesmo átomo de carbono em seu lápis (grafite) se tornando um supercondutor quando torcido no ângulo mágico? De fato, como as pessoas descobriram em 2018, mas por que? Uma equipe de pesquisadores do Departamento de Física da Universidade de Hong Kong (HKU) e seus colaboradores conseguiram descobrir um isolador topológico de Mott genuíno em modelo de grafeno de dupla camada torcida. Os resultados foram publicados em um jornal de renome Nature Communications .

As razões por trás desses fenômenos emocionantes são as fronteiras da física da matéria condensada e da pesquisa do material quântico, ambos experimentais, teórico e computacional, geralmente na forma combinada. O entendimento básico até agora é que, uma vez que as duas folhas de grafeno formem padrões moiré nos ângulos mágicos, as bandas de energia dos elétrons na bicamada torcida de grafeno tornam-se quase planas, em outras palavras, a velocidade dos elétrons na rede torna-se consideravelmente menor do que o normal (em comparação com a do grafeno de camada única ou grafite - nosso lápis), portanto, a densidade dos elétrons para esta energia específica é tremendamente grande e os elétrons podem interagir fortemente entre si, dando origem a muitos estados inesperados, por exemplo., o super-condutor, efeito Hall quântico.

Como resultado, o comportamento do elétron é dominado pelas interações repulsivas mútuas (Coulomb), o que leva ao surgimento das fases exóticas discutidas acima que não existem em camadas únicas de grafeno ou nosso lápis. Em baixas temperaturas (abaixo de 10 Kelvin), quando o número do elétron é ajustado para preencher graus inteiros de liberdade das bandas planas, isso significa que algumas dessas bandas estão totalmente ocupadas, deixando as outras totalmente vazias, o sistema então formaria uma fase eletricamente isolante. Além disso, quando o número do elétron se desvia dos preenchimentos inteiros, o sistema se torna um metal (com baixa resistividade elétrica) ou um supercondutor (resistência zero).

Os fenômenos do grafeno de bicamada torcida do ângulo mágico são ricos e profundos, e físicos em todo o mundo estão agora tentando muito construir modelos microscópicos adequados e encontrar metodologias de computação poderosas para capturar as propriedades misteriosas desses modelos. Recentemente, Dr. BinBin Chen e Dr. Zi Yang Meng do Departamento de Física, HKU, em colaboração com instituições da China e dos EUA, conseguiu fazê-lo com progresso substancial. Eles desmistificaram o diagrama de fase de um modelo com uma densidade específica de elétrons e identificaram o estado de Hall anômalo quântico experimentalmente observado, que é um novo estado quântico com corrente de borda sem dissipação e está prometendo ser usado como um componente básico de seus aparelhos eletrônicos diários, por exemplo. computador, Smartphone.

Efeito Hall anômalo quântico em modelo de grafeno de camada dupla torcida eficaz

Os pesquisadores prestam atenção especial ao preenchimento inteiro ν =3 do grafeno de bicamada torcida do ângulo mágico, já que no mesmo caso de enchimento, o experimento mostra que, no alinhamento do substrato hexagonal de nitreto de boro, os elétrons exibem condutância Hall quantizada σxy =e2 / h sem exercer um campo magnético - o chamado estado Hall anômalo quântico (QAH). O estado QAH é um estado topológico interessante com a massa restante isolando e a borda conduzindo corrente elétrica sem dissipação! Até agora, o mecanismo de tal estado de QAH ainda está em debate. No trabalho, pesquisadores mostram que tal efeito pode ser realizado em um modelo de rede de grafeno de dupla camada torcida no limite de acoplamento forte, e interpretar os resultados em termos de uma fase isolante de Mott topológica.

Especificamente, os pesquisadores apresentam seu estudo teórico sobre o mecanismo de QAH impulsionado pelas interações projetadas de Coulomb. Ao empregar extensas simulações de grupo de renormalização de matriz de densidade no modelo de rede de interação, eles identificam uma fase QAH com condutância Hall de σxy =e2 / h, que é separada de uma fase de onda de densidade de carga isolante (faixa) por uma transição de fase quântica de primeira ordem em αc ≃ 0,12. Para calcular a condutância Hall na fase QAH, eles realmente seguem o experimento gedanken de Laughlin. Isso é, inserindo um fluxo φ lentamente de 0 a 2π através do orifício do cilindro, observamos exatamente um elétron é bombeado da borda esquerda para a direita, correspondendo à condutância Hall quantizada de σxy =e2 / h. Este trabalho aborda a questão atualmente popular sobre a origem da QAH no grafeno de dupla camada torcida com enchimento ν =3.

A primeira instância de isolador topológico de Mott

O estado QAH descoberto a partir da computação do modelo vem puramente das propriedades únicas da interação de Coulomb no sistema de grafeno de dupla camada torcida de ângulo mágico. E é o primeiro exemplo de um estado quântico topológico da matéria impulsionado pela interação que foi descoberto de forma inequívoca. O impacto de tal descoberta está além da área do grafeno de dupla camada torcida em ângulo mágico e respondeu a uma proposta no estado topológico genérico da matéria há uma década.

Um dos revisores, Dr. Nick Bultinck, um teórico teórico da matéria condensada da Universidade de Oxford, deu uma boa avaliação do trabalho e disse:"Em seu artigo seminal, Haldane mostrou que não é necessário um campo magnético para que os elétrons ocupem estados estendidos topologicamente não triviais que respondem à inserção do fluxo adiabático de Laughlin ao produzir uma corrente Hall quantizada. Os resultados deste trabalho mostram que nem mesmo é necessário um termo de energia cinética no hamiltoniano para que isso ocorra. "

De fato, não limitado ao sistema de grafeno de dupla camada torcida, nosso trabalho, pela primeira vez, fornece uma perspectiva de Mott-Hubbard para o estado de QAH impulsionado apenas por interações. Consequentemente, esclarecemos o mistério de longa data da possível existência do isolador topológico de Mott (TMI), o alicerce da chamada autoestrada da informação devido à sua capacidade de transferir eletricidade e informações sem perdas.

O famoso físico sino-americano, O professor Shou-Cheng ZHANG (1963-2018) e seus colaboradores propuseram esse estado TMI há cerca de uma década, e subsequentemente, vários modelos de interação foram estudados por muitos teóricos. Entre todos os trabalhos anteriores, os termos cinéticos desempenham um papel crucial no surgimento do QAH, e portanto, o estado obtido não deve ser apelidado de "TMI". Contudo, nosso modelo desliga completamente a parte cinética e contém apenas as interações para produzir o estado TMI. A respeito disso, nosso trabalho faz a ponte entre os dois campos essenciais da física da matéria condensada:topologia e correlação forte. Uma extensão adicional de nossa construção de modelo e cálculos de muitos corpos quânticos imparciais podem ser acessados ​​aqui.

Impacto e direções futuras

Como o número de transistores nos chips do nosso computador dobra a cada 18 meses, o calor que eles geraram junto com a transferência de eletricidade está gradualmente se tornando um problema grave. A descoberta do efeito Hall anômalo quântico é de grande importância, como nenhuma dissipação de energia e nenhum calor é gerado na borda. Na prática, tal estado é o alicerce da autoestrada da informação e promete ser aplicado no chip de próxima geração.

A descoberta do QAH como o estado isolante topológico de Mott em nosso modelo de cálculo no preenchimento v =3 lança luz sobre as fases que ocorrem no grafeno de dupla camada torcida em ângulo mágico. Modelagem e computação cuidadosas adicionais nos modelos de rede do sistema revelariam o mecanismo da supercondutividade e forneceriam melhor sintonia desses fenômenos exóticos neste e em outro material moiré quântico 2D. As novas descobertas também deixam muitas questões em aberto. Por exemplo, por que o estado isolante topológico de Mott está ausente em outros preenchimentos da estrutura de banda da bicamada torcida de ângulo mágico, como estudar e calcular adequadamente as propriedades do modelo longe de preenchimentos inteiros, etc? "As respostas a essas perguntas podem ajudar os físicos a desmistificar totalmente a magia deste material e projetar fases mais emocionantes da matéria neste e em outros materiais moiré quânticos 2D atualmente sendo estudados ativamente." Dr. Meng acrescentou, "E nossa atividade de pesquisa e experiência em materiais quânticos 2D podem impulsionar substancialmente esta direção, que são os temas de pesquisa estratégica da HKU. "