Studio svela le transizioni di fase quantistiche indotte dalla deformazione nel grafene ad angolo magico

Studio svela le transizioni di fase quantistiche indotte dalla deformazione nel grafene ad angolo magico

Una figura schematica di grafene a doppio strato attorcigliato sotto sforzo (usiamo parametri di deformazione non realistici per esagerare lo sforzo). Credito: Parker et al.

Negli ultimi anni, molti fisici e scienziati dei materiali in tutto il mondo hanno studiato le proprietà e le caratteristiche del grafene a doppio strato ritorto ad angolo magico (MATBG). MATBG è un materiale fortemente correlato che è stato realizzato sperimentalmente per la prima volta nel 2018. Questo materiale unico ospita una vasta gamma di fasi altamente correlate, inclusi metalli, semimetalli, isolanti Chern, stati di hall anomali quantistici e, forse più interessante, superconduttività.

I ricercatori dell’Università della California, Berkeley (UC Berkeley) hanno recentemente condotto uno studio sugli effetti dell’eterotrazione uniassiale sul diagramma di fase interagente di MATBH. Le loro scoperte, pubblicate su Physical Review Letters , suggeriscono che piccoli valori di deformazione hanno portato a una transizione di fase a temperatura zero tra due stati, vale a dire l’isolante a intervallo di Kramers rotto dalla simmetria e le fasi semimetalliche nematiche.

“Un obiettivo chiave del nostro campo è comprendere l’origine della superconduttività in MATBG e approfondire il meccanismo responsabile”, hanno detto a Phys.org via e-mail Daniel Parker e Tomo Soejima, due dei ricercatori che hanno condotto lo studio. “Tuttavia, c’è un importante enigma del diagramma di fase MATBG, che complica ogni tentativo di indovinare la natura della superconduttività, vale a dire a neutralità di carica, alcuni esperimenti trovano uno stato semimetallico, mentre altri vedono isolanti . Il nostro lavoro propone che una fase particolare transizione potrebbe risolvere questa discrepanza”.

Tutte le azioni e i cambiamenti in MATBG si verificano in quelle che sono conosciute come le sue bande attive. Queste bande includono 2 bande di Chern, volte 2 valli e volte 2 spin, per un totale di 8. Gli scienziati possono facilmente regolare sperimentalmente il numero di elettroni nel sistema, il che a sua volta consente loro di sintonizzare queste bande da tutte vuote a tutte piene.

“Come analogia, si può pensare a questo come ad avere 8 secchi che possono essere riempiti d’acqua”, ha spiegato Parker. “Per una data quantità di acqua, il MATBG sceglie uno e solo un modo per distribuire l’acqua. Ad esempio, se ci sono due secchi d’acqua, allora MATBG potrebbe scegliere di riempire 2 secchi fino all’orlo, o riempire 4 secchi ciascuno a metà La fase del sistema è contrassegnata da due cose: 1. come l’acqua (elettroni) è distribuita nei secchi (fasce) e 2. quanto è difficile aggiungere una goccia d’acqua in più (es. , se il sistema è isolante o conduttivo).”

Mentre la natura isolante o conduttiva di un sistema è abbastanza facile da dedurre sperimentalmente, la distribuzione degli elettroni nelle bande di MATBH è molto più difficile da determinare. Nel loro articolo, Parker, Soejima e i loro colleghi hanno voluto esplorare cosa succede quando il numero di elettroni è tale da annullare la carica degli atomi di carbonio (noto come punto di neutralità di carica) o, considerando l’analogia dei secchi d’acqua, se i secchi sono mezzo pieno d’acqua.

Mentre alcuni studi precedenti che hanno indagato su questo hanno osservato stati isolanti (cioè, dove è difficile aggiungere “una goccia in più”), altri hanno invece osservato metalli o stati semimetallici. Da un punto di vista teorico, il lavoro precedente di Nick Bultinck e dei suoi collaboratori suggerisce che lo stato isolante potrebbe essere uno stato Kramers-intervalley coerente (KIVC). Per spiegare questo usando l’analogia del secchio d’acqua, sarebbe come se tutti i secchi fossero riempiti a metà, ma stranamente erano accoppiati con un partner riempito solo nella metà sinistra e l’altro riempito solo nella metà destra.

“Ulteriori lavori di Bultinck e dei suoi colleghi hanno dimostrato che questo stato è una possibile origine della superconduttività in MATBG”, hanno detto Parker e Soejima. “La fase semimetallica alternativa è molto più convenzionale, in cui viene riempita la metà inferiore di ciascun secchio. La domanda principale a cui abbiamo cercato di rispondere era perché, quando la teoria precedente prevedeva uno stato KIVC, si potesse invece osservare il semimetallo”.

Una possibile ragione per le discrepanze nelle osservazioni passate è che dispositivi diversi hanno Hamiltoniane leggermente diverse. Alcuni team sono stati in grado di utilizzare un modello semplificato di MATBG, introdotto per la prima volta da Bistrizter e McDonald, per studiare le proprietà dei campioni di MATBG.

Studi recenti, tuttavia, hanno rivelato che nella sua forma originale, il cosiddetto modello BM, non cattura il tunneling non locale presente nella DFT, l’allineamento con il substrato di hBN, la rinormalizzazione della struttura a bande dei fermioni liberi e altri effetti. Parker, Soejima e i loro colleghi volevano quindi determinare quale effetto potesse essere considerato per spiegare la discrepanza osservata.

“Bultinck aveva un acuto sospetto che il ceppo potesse essere il colpevole di questa discrepanza”, hanno detto Parker e Soejima. “Mentre era già stato proposto un modo realistico per modellare la deformazione in MATBG ed era stato studiato il suo effetto sulla struttura a bande non interagenti (cioè, soluzione dell’Hamiltoniana senza interazione di Coulomb), il suo effetto sul diagramma di fase in presenza di interazione aveva finora non è stato indagato”.

Per testare l’ipotesi introdotta da Bultinck, i ricercatori hanno utilizzato due tecniche numeriche complementari, note come Hartree-Fock (HF) autoconsistente e gruppo di rinormalizzazione della matrice di densità (DMRG). Hartree-Fock è un’approssimazione standard che incorpora gli effetti più importanti delle interazioni elettrone-elettrone. Questa approssimazione è altamente flessibile; quindi, consente ai ricercatori di esaminare grandi dimensioni del sistema di celle di 24 x 24 unità.

“Dato che l’HF è un’approssimazione, c’è sempre la spaventosa possibilità che stia producendo una fase ‘falsa’”, hanno detto Parker e Soejima “Abbiamo quindi usato DMRG per escluderlo. DMRG è una tecnica numerica imparziale che, con una potenza di calcolo sufficiente , determinerà la vera fase del sistema. Usarlo per sistemi 2D con interazioni a lungo raggio come abbiamo qui non è banale e richiede tecniche speciali sviluppate da noi in un documento precedente . “

Rispetto all’approssimazione HF, DMRG è più lento, più costoso e può essere utilizzato solo per esaminare piccoli sistemi. Per ottenere risultati affidabili, Parker, Soejima e i loro colleghi hanno quindi deciso di utilizzare HF e DMRG in tandem, poiché HF ha permesso loro di mappare l’intero diagramma di fase e DMRG per verificare che l’approssimazione HF fosse corretta.

“La scoperta chiave del nostro lavoro è che piccole quantità di eterostrain (precisamente nell’intervallo ε∼ 0,1%-0,2%) possono distruggere la fase KIVC e sostituirla con un semimetallo”, hanno detto Parker e Soejima. “Qualsiasi foglio di grafene prodotto in laboratorio è sempre sottoposto a uno stress, che lo comprime in una direzione mentre lo allunga nell’altra. In MATBG, si ha la possibilità aggiuntiva di eterostrain, in cui lo strato superiore viene compresso lungo l’asse di stiramento del strato inferiore e viceversa.”

In passato, alcuni ricercatori hanno effettuato esperimenti misurando l’eteroceppo presente nei campioni di MATBG e hanno scoperto che era minuscolo, compreso tra lo 0,1% e lo 0,7%. Quando Parker, Soejima e i loro colleghi hanno iniziato a esplorare questo argomento, erano abbastanza scettici sul fatto che una quantità così piccola di ceppo avrebbe avuto effetti particolari, quindi i loro risultati sono stati una sorpresa per loro.

“Un’implicazione dei nostri risultati è che il ceppo è un parametro importante per caratterizzare sperimentalmente”, hanno detto Parker e Soejima. “Gli sperimentali che producono e misurano il grafene a doppio strato attorcigliato fanno un lavoro incredibile destreggiandosi e controllando molte fonti di errori. Eliminare una quantità così piccola di deformazione è probabilmente terribilmente difficile, ma sospettiamo che qualcuno troverà un modo per farlo prima o poi”.

Nel complesso, i risultati suggeriscono che la deformazione è un’importante “manopola girevole” in MATBG in quanto può suscitare transizioni di fase, quindi dovrebbe essere misurata e caratterizzata quando possibile. Questa osservazione potrebbe avere importanti implicazioni per la ricerca futura nella scienza dei materiali, poiché potrebbe aiutare a migliorare le prestazioni del grafene a doppio strato attorcigliato.

“Il nostro prossimo obiettivo è capire l’origine della superconduttività nel grafene ad angolo magico “, hanno detto Parker e Soejima. ” Una proposta interessante è che possa essere mediato da quasiparticelle chiamate Skyrmions invece dei fononi standard. Se questo è davvero il caso, speriamo di confermarlo estendendo gli strumenti utilizzati in questo lavoro.”

 

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La proprietà del grafene appena scoperta potrebbe avere un impatto sull’elaborazione dati di prossima generazione

La proprietà del grafene appena scoperta potrebbe avere un impatto sull’elaborazione dati di prossima generazione

Artist’s representation of the nanoscopic structure of the new ferroelectric material developed by MIT researchers and colleagues. Blue and gold dots represent the boron and nitride atoms in two atomically thin sheets of boron nitride. Between these sheets are two layers of graphene; the whitish/blue dots represent carbon atoms. The gold vertical lines running through the figure represent the movement of electrons. Credit: Ella Maru Studio

Ricercatori e colleghi del MIT hanno scoperto un’importante – e inaspettata – proprietà elettronica del grafene, un materiale scoperto solo circa 17 anni fa che continua a sorprendere gli scienziati con la sua fisica interessante. Il lavoro, che coinvolge strutture composte da strati atomicamente sottili di materiali che sono anche biocompatibili, potrebbe inaugurare nuovi paradigmi di elaborazione delle informazioni più veloci. Una potenziale applicazione è nel calcolo neuromorfico, che mira a replicare le cellule neuronali del corpo responsabili di tutto, dal comportamento ai ricordi.

Il lavoro introduce anche una nuova fisica che i ricercatori sono entusiasti di esplorare.

“Le eterostrutture basate sul grafene continuano a produrre sorprese affascinanti. La nostra osservazione della ferroelettricità non convenzionale in questo sistema semplice e ultrasottile sfida molte delle ipotesi prevalenti sui sistemi ferroelettrici e può aprire la strada a un’intera generazione di nuovi materiali ferroelettrici”, afferma Pablo Jarillo-Herrero, il Cecil e Ida Green Professore di Fisica al MIT e leader del lavoro, che ha coinvolto una collaborazione con altri cinque docenti del MIT di tre dipartimenti.

Una nuova proprietà

Il grafene è composto da un singolo strato di atomi di carbonio disposti in esagoni che ricordano una struttura a nido d’ape. Dalla scoperta del materiale, gli scienziati hanno dimostrato che diverse configurazioni degli strati di grafene possono dare origine a una varietà di proprietà importanti. Le strutture a base di grafene possono essere superconduttori, che conducono l’elettricità senza resistenza, o isolanti, che impediscono il movimento dell’elettricità. È stato persino scoperto che mostrano magnetismo.

Nel lavoro in corso, che è stato riportato lo scorso dicembre su Nature , i ricercatori del MIT e colleghi mostrano che il grafene a doppio strato può anche essere ferroelettrico. Ciò significa che le cariche positive e negative nel materiale possono separarsi spontaneamente in diversi strati.

Nella maggior parte dei materiali, le cariche opposte vengono attratte l’una dall’altra; vogliono combinarsi. Solo l’applicazione di un campo elettrico li costringerà a lati opposti, o poli. In un materiale ferroelettrico non è necessario alcun campo elettrico esterno per tenere separate le cariche, dando luogo ad una polarizzazione spontanea. Tuttavia, l’applicazione di un campo elettrico esterno ha un effetto: un campo elettrico di direzione opposta farà sì che le cariche cambino lato e invertano la polarizzazione.

Per tutti questi motivi, i materiali ferroelettrici vengono utilizzati in una varietà di sistemi elettronici, dagli ultrasuoni medici alle schede di identificazione a radiofrequenza (RFID).

I ferroelettrici convenzionali, tuttavia, sono isolanti. Il ferroelettrico basato sul grafene del team guidato dal MIT opera attraverso un meccanismo completamente diverso, una fisica diversa, che gli consente di condurre l’elettricità. E questo apre una miriade di applicazioni aggiuntive. “Quello che abbiamo trovato qui è un nuovo tipo di materiale ferroelettrico”, dice Zhiren (Isaac) Zheng, uno studente laureato del MIT in fisica e primo autore del documento Nature.

Qiong Ma, MIT Ph.D. 2016, coautore dell’articolo e assistente professore al Boston College, mette il lavoro in prospettiva. “Ci sono sfide associate ai ferroelettrici convenzionali che le persone hanno lavorato per superare. Ad esempio, la fase ferroelettrica diventa instabile mentre il dispositivo continua a essere miniaturizzato. Con il nostro materiale, alcune di queste sfide potrebbero essere risolte automaticamente”. Ma ha condotto l’attuale lavoro come collaboratore post-dottorato attraverso il Laboratorio di ricerca sui materiali (MRL) del MIT.

Modelli importanti

La struttura creata dal team è composta da due strati di grafene, un doppio strato, inseriti tra strati atomicamente sottili di nitruro di boro (BN) sopra e sotto. Ogni strato BN ha un’angolazione leggermente diversa dall’altro. Guardando dall’alto, il risultato è un motivo unico chiamato superlattice moiré. Un motivo moiré, a sua volta, “può cambiare drasticamente le proprietà di un materiale”, dice Zheng.

Il gruppo di Jarillo-Herrero ne ha dimostrato un importante esempio nel 2018. In quel lavoro, riportato anche su Nature , i ricercatori hanno impilato due strati di grafene. Quegli strati, tuttavia, non erano esattamente uno sopra l’altro; piuttosto, uno è stato leggermente ruotato di un “angolo magico” di 1,1 gradi. La struttura risultante ha creato un motivo moiré che a sua volta ha permesso al grafene di essere un superconduttore o un isolante a seconda del numero di elettroni nel sistema fornito da un campo elettrico. Essenzialmente il team è stato in grado di “regolare il grafene per comportarsi a due estremi elettrici”, secondo una notizia del MIT all’epoca.

“Quindi, creando questa struttura moiré, il grafene non è più grafene. Si trasforma quasi magicamente in qualcosa di molto, molto diverso”, dice Ma.

Nel lavoro attuale, i ricercatori hanno creato un motivo moiré con fogli di grafene e nitruro di boro che ha portato a una nuova forma di ferroelettricità. La fisica coinvolta nel movimento degli elettroni attraverso la struttura è diversa da quella dei ferroelettrici convenzionali.

“La ferroelettricità dimostrata dal gruppo del MIT è affascinante”, afferma Philip Kim, professore di fisica e fisica applicata all’Università di Harvard, che non è stato coinvolto nella ricerca.

“Questo lavoro è la prima dimostrazione che riporta pura ferroelettricità elettronica, che mostra polarizzazione di carica senza movimento ionico nel reticolo sottostante. Questa sorprendente scoperta darà sicuramente il via a ulteriori studi che possono rivelare fenomeni emergenti più eccitanti e fornire l’opportunità di utilizzarli per applicazioni a memoria ultraveloce.  ”

I ricercatori mirano a continuare il lavoro non solo dimostrando il potenziale del nuovo materiale per una varietà di applicazioni, ma anche sviluppando una migliore comprensione della sua fisica . “Ci sono ancora molti misteri che non comprendiamo appieno e che sono fondamentalmente molto intriganti”.

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