En los ultimos años, Muchos físicos y científicos de materiales de todo el mundo han estado investigando las propiedades y características del grafeno bicapa retorcido de ángulo mágico (MATBG). MATBG es un material fuertemente correlacionado que se realizó experimentalmente por primera vez en 2018. Este material único alberga una amplia gama de fases altamente correlacionadas, incluidos los metales, semimetales, Aisladores Chern, estados de pasillo anómalos cuánticos y, quizás lo más interesante, superconductividad.

Investigadores de la Universidad de California, Berkeley (UC Berkeley) ha llevado a cabo recientemente un estudio que investiga los efectos de la heterostraína uniaxial en el diagrama de fase de interacción de MATBH. Sus hallazgos, publicado en Cartas de revisión física , sugieren que pequeños valores de deformación condujeron a una transición de fase de temperatura cero entre dos estados, a saber, el aislante de Kramers con coherencia de intervalo de simetría rota y las fases nemáticas semimetálicas.

"Un objetivo clave de nuestro campo es comprender el origen de la superconductividad en MATBG y desarrollar el mecanismo responsable, "Daniel Parker y Tomo Soejima, dos de los investigadores que realizaron el estudio, le dijo a Phys.org por correo electrónico. "Sin embargo, hay un rompecabezas importante del diagrama de fases MATBG, lo que complica cualquier intento de adivinar la naturaleza de la superconductividad, es decir, con neutralidad de carga, algunos experimentos encuentran un estado semimetálico, mientras que otros ven aisladores. Nuestro trabajo propone que una transición de fase particular puede resolver esta discrepancia ".

Todas las acciones y cambios en MATBG ocurren en lo que se conoce como sus bandas activas. Estas bandas incluyen 2 bandas Chern, por 2 valles y por 2 vueltas, para un total de 8. Los científicos pueden ajustar fácilmente la cantidad de electrones en el sistema de manera experimental, lo que a su vez les permite sintonizar estas bandas de todas vacías a todas llenas.

"Como analogía, uno puede pensar en esto como tener 8 cubos que se pueden llenar con agua, "Parker explicó." Para una determinada cantidad de agua, el MATBG elige uno, y solo uno, forma de distribuir el agua. Por ejemplo, si hay dos cubos de agua, entonces MATBG podría optar por llenar 2 cubos hasta el borde, o para llenar 4 cubos cada uno hasta la mitad. La fase del sistema está etiquetada por dos cosas:1. cómo se distribuye el agua (electrones) en los cubos (bandas) y 2. qué tan difícil es agregar una gota más de agua (es decir, si el sistema es aislante o conductor) ".

Si bien la naturaleza aislante o conductora de un sistema es bastante fácil de inferir experimentalmente, la distribución de electrones en las bandas de MATBH es mucho más difícil de determinar. En su papel Parker, Soejima y sus colegas querían explorar qué sucede cuando la cantidad de electrones es tal que cancela la carga de los átomos de carbono (conocido como punto de neutralidad de carga) o, al considerar la analogía de los baldes de agua, si los cubos están hasta la mitad llenos de agua.

Si bien algunos estudios anteriores que investigaron esto han observado estados de aislamiento (es decir, donde es difícil agregar "una gota más"), otros, en cambio, han observado metales o estados semimetálicos. Desde un punto de vista teórico, El trabajo anterior de Nick Bultinck y sus colaboradores sugiere que el estado aislante podría ser un estado coherente de Kramers-intervalley (KIVC). Para explicar esto usando la analogía del balde de agua, sería como si todos los cubos estuvieran llenos hasta la mitad, pero estaban extrañamente emparejados con un compañero lleno solo en la mitad izquierda y el otro lleno solo en la derecha.

"El trabajo adicional de Bultinck y sus colegas mostró que este estado es un posible origen de la superconductividad en MATBG, "Parker y Soejima dijeron." La fase semimetálica alternativa es mucho más convencional, donde se llena la mitad inferior de cada balde. La pregunta principal que buscamos responder fue por qué, cuando la teoría anterior predijo un estado KIVC, en su lugar, se podría observar el semimetal ".

Una posible razón de las discrepancias en observaciones pasadas es que diferentes dispositivos tienen hamiltonianos ligeramente diferentes. Algunos equipos pudieron utilizar un modelo simplificado de MATBG, presentado por primera vez por Bistrizter y McDonald, para investigar las propiedades de las muestras MATBG.

Estudios recientes, sin embargo, reveló que en su forma original, el llamado modelo BM, no captura la tunelización no local presente en DFT, alineación con el sustrato de hBN, y renormalización de la estructura de bandas de fermiones libres, y otros efectos. Parker, Por lo tanto, Soejima y sus colegas querían determinar qué efecto podría considerarse para explicar la discrepancia observada.

"Bultinck tenía la astuta sospecha de que la tensión podría ser la culpable de esta discrepancia, "Parker y Soejima dijeron." Si bien ya se había propuesto una forma realista de modelar la deformación en MATBG y su efecto en la estructura de la banda que no interactúa (es decir, solución del hamiltoniano sin interacción de Coulomb) se había investigado, su efecto sobre el diagrama de fases en presencia de interacción no se había investigado hasta ahora ".

Para probar la hipótesis presentada por Bultinck, los investigadores utilizaron dos técnicas numéricas complementarias, conocido como Hartree-Fock (HF) autoconsistente y grupo de renormalización de matriz de densidad (DMRG). Hartree-Fock es una aproximación estándar que incorpora los efectos más importantes de las interacciones electrón-electrón. Esta aproximación es muy flexible; por lo tanto, permite a los investigadores examinar grandes tamaños de sistemas de celdas de 24 x 24 unidades.

"Dado que HF es una aproximación, siempre existe la aterradora posibilidad de que se esté produciendo una fase 'falsa', Parker y Soejima dijeron:"Por lo tanto, usamos DMRG para descartar esto. DMRG es una técnica numérica imparcial que, con suficiente poder computacional, determinará la verdadera fase del sistema. Usarlo para sistemas 2D con interacciones de largo alcance como lo tenemos aquí no es trivial, y requiere técnicas especiales desarrolladas por nosotros en un artículo anterior ".

En comparación con la aproximación de HF, DMRG es más lento, más caro y solo se puede utilizar para examinar sistemas pequeños. Para lograr resultados confiables, Parker, Soejima y sus colegas decidieron usar HF y DMRG en conjunto, ya que HF les permitió trazar el diagrama de fase completo y DMRG para verificar que la aproximación de HF era correcta.

"El hallazgo clave de nuestro trabajo es que pequeñas cantidades de heterostraína (precisamente en el rango de ε∼0.1% –0.2%) pueden destruir la fase KIVC y reemplazarla con un semimetal, Parker y Soejima dijeron:"Cualquier hoja de grafeno fabricada en el laboratorio siempre está sometida a algo de estrés, que lo comprime en una dirección y lo estira en la otra. En MATBG, uno tiene la posibilidad adicional de heterostrain, donde la capa superior se comprime a lo largo del eje de estiramiento de la capa inferior, y viceversa."

En el pasado, Algunos investigadores llevaron a cabo experimentos midiendo la heterostraína presente en muestras de MATBG y encontraron que era diminuta, oscilando entre 0,1% - 0,7%. Cuando Parker, Soejima, y sus colegas comenzaron a explorar este tema, eran bastante escépticos de que una cantidad tan pequeña de tensión tuviera efectos particulares, por tanto, sus resultados les sorprendieron.

"Una implicación de nuestros hallazgos es que la tensión es un parámetro importante para caracterizar experimentalmente, Parker y Soejima dijeron:“Los experimentadores que fabrican y miden el grafeno bicapa retorcido hacen un trabajo increíble al manipular y controlar muchas fuentes de errores. Eliminar una cantidad tan pequeña de tensión probablemente sea terriblemente complicado, pero sospechamos que alguien encontrará la manera de hacerlo tarde o temprano ".

En general, Los hallazgos sugieren que la tensión es un "botón giratorio" importante en MATBG, ya que puede provocar transiciones de fase, por lo tanto, debe medirse y caracterizarse siempre que sea posible. Esta observación podría tener importantes implicaciones para la investigación futura en ciencia de materiales, ya que podría ayudar a mejorar el rendimiento del grafeno bicapa retorcido.

"Nuestro próximo objetivo es comprender el origen de la superconductividad en el grafeno de ángulo mágico, "Parker y Soejima dijeron." Una propuesta intrigante es que puede estar mediada por cuasipartículas llamadas Skyrmions en lugar de los fonones estándar. Si este es realmente el caso, esperamos confirmarlo ampliando las herramientas utilizadas en este trabajo ".

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