Pesquisadores observam quebra de simetria de tradução em grafeno de bicamada torcida

O painel superior da imagem em anexo mostra as principais medidas da equipe. O painel inferior resume as trajetórias observadas no painel superior. As linhas azuis correspondem aos isoladores de Chern que seguem a sequência convencional, enquanto as linhas laranja correspondem aos novos isoladores de Chern que quebram a simetria de translação da rede. Crédito:Pierce et al.

O grafeno de bicamada torcida com ângulo mágico é um material feito de duas folhas de grafeno colocadas uma sobre a outra, com uma folha torcida precisamente 1,05 graus em relação à outra. Este material tem se mostrado uma plataforma muito promissora para o estudo de diferentes fases da matéria, pois combina fases metálica, supercondutora, magnética e isolante em um único cristal.
O grafeno de bicamada torcida de ângulo mágico é conhecido por suportar bandas de energia planas com propriedades topológicas que podem ser acessadas sob condições específicas. Estudos recentes descobriram que fortes interações podem isolar essas bandas topológicas, permitindo que o sistema suporte os chamados estados fundamentais do isolador de Chern. Nos estados fundamentais do isolador de Chern, a maior parte do material é isolante, mas os elétrons podem se propagar ao longo das bordas sem dissipar o calor.

Pesquisadores da Universidade de Harvard, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e do Instituto Nacional de Ciência dos Materiais do Japão realizaram recentemente um estudo destinado a investigar os estados fundamentais do isolador de Chern em grafeno de camada dupla torcida. Seu artigo, publicado em Nature Physics , fornece evidências da existência de uma sequência de estados incompressíveis com números de Chern imprevisíveis neste material fascinante.

"Enquanto os isoladores de Chern relatados até hoje seguem uma sequência simples correspondente à quebra da simetria do vale de spin, nosso artigo relata vários novos isoladores de Chern nos quais as interações elétron-elétron quebram a simetria de tradução da rede", Andrew Pierce, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse ao Phys.org .

Pierce e seus colegas reuniram uma série de medições usando um microscópio de varredura de transistor de um único elétron. Este instrumento pode ser um detector local de carga elétrica extremamente sensível.

“Aproveitamos a resolução espacial do nosso microscópio para identificar as regiões mais puras e livres de desordem do dispositivo, onde observamos assinaturas de estados isolantes topológicos frágeis que não são visíveis em medições de resistividade”, disse Yonglong Xie, coautor do estudo o estudo.

Em seus experimentos, Pierce e seus colegas revelaram uma sequência de estados incompressíveis com números inesperados de Chern observados até o campo magnético zero. Além disso, eles descobriram que os números de Chern para oito desses estados não podem ser capturados por teorias nas quais as bandas no grafeno de bicamada torcida de ângulo mágico são preenchidas sequencialmente. Os pesquisadores mostraram que o surgimento dessas fases incomuns pode ser consequência de uma simetria de tradução quebrada.

“A percepção de que estados quebrados de simetria translacional incomuns estão presentes no grafeno de ângulo mágico expande o repertório de comportamentos correlacionados e topológicos neste sistema”, disse Pablo Jarillo-Herrero, professor de física Cecil e Ida Green no MIT. "Na verdade, tais estados quebrados de simetria translacional são onipresentes em materiais quânticos, mas podem ser investigados com muito mais detalhes no grafeno de ângulo mágico, o que pode levar a uma compreensão fundamental mais profunda de sua origem, com lições que podem ser amplamente aplicáveis a outros materiais correlatos."

No futuro, as descobertas reunidas por esta equipe de pesquisadores podem ter implicações importantes para o estudo dos estados isolantes de Chern em grafeno de bicamada torcida de ângulo mágico, bem como quebra de simetria em outros materiais, como alto-T eu> _c supercondutores. No geral, este estudo estende significativamente o diagrama de fases conhecido do grafeno de bicamada torcida de ângulo mágico e lança luz sobre a possível origem da competição próxima entre diferentes fases correlacionadas dentro dele.

“Uma questão importante para estudos futuros é se a quebra de simetria de tradução favorece ou desfavorece a supercondutividade no grafeno de bicamada torcida de ângulo mágico”, disse Amir Yacoby, professor de física em Harvard. “Nosso trabalho também levanta a possibilidade de descobrir novas fases topológicas da matéria em grafeno de bicamada torcida de ângulo mágico além dos estados relatados aqui, especialmente aqueles que podem suportar tipos exóticos de quasipartículas”. + Explorar mais