Un esquema de grafeno de doble bicapa retorcido tenso (TDBG). Dos capas de grafeno bicapa cuando se giran una encima de la otra en un pequeño ángulo θ crean grandes celdas hexagonales de muaré. La línea marrón perfila una de esas celdas muaré. La tensión distorsiona las células muaré. Crédito:Sinha et al.
La curvatura de Berry y el número de Chern son cualidades topológicas cruciales de origen mecánico cuántico que caracterizan la función de onda de los electrones de los materiales. Estos dos elementos juegan un papel muy importante en la determinación de las propiedades de materiales específicos.
Si bien muchos estudios han tratado de determinar cómo la curvatura de Berry y el número de Chern afectan las propiedades de los materiales, detectarlos en un entorno experimental puede ser muy difícil. El grafeno de doble bicapa torcido, un material que consta de dos cristales de grafeno de bicapa apilados, es una plataforma particularmente prometedora para manipular la curvatura de Berry y los números de Chern de valle de bandas planas topológicas y, por lo tanto, estudiar sus efectos.
Investigadores del Instituto Tata de Investigación Fundamental, el Instituto Indio de Tecnología y el Centro Jawaharlal Nehru de Investigación Científica Avanzada han estado examinando las propiedades ajustables del grafeno de doble bicapa retorcida durante más de tres años. En su estudio más reciente, presentado en Nature Physics , pudieron detectar directamente una transición topológica en una superred moiré al controlar el cambio de signo en el dipolo de curvatura de Berry.
Este documento se basa en los trabajos anteriores del Prof. Mandar Deshmukh centrados en el grafeno de doble bicapa retorcido. En uno de sus estudios anteriores, por ejemplo, los investigadores introdujeron estrategias para detectar la curvatura de Berry, que luego aplicaron en sus experimentos recientes.
"Antes de comenzar a trabajar en este proyecto, el grupo del profesor Amit Agarwal estaba investigando teóricamente diferentes contribuciones de Hall debido a los efectos de la mecánica cuántica", dijo a Phys.org Subhajit Sinha, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. "En la víspera de Navidad de 2020, nos escribió con respecto a la medición del efecto Hall no lineal en nuestras muestras. Una de nuestras muestras de grafeno de doble capa retorcida estaba fría en un criostato, por lo que decidimos recopilar medidas y ver si obtuvimos cualquier cosa. ¡Quizás algunas estrellas estaban alineadas, porque de hecho medimos alguna señal!"
Después de validar sus observaciones y mediciones iniciales mediante la realización de varias comprobaciones cruzadas, el equipo pudo determinar con un alto grado de certeza que, de hecho, habían medido el efecto Hall cuántico no lineal en su muestra de grafeno de doble bicapa retorcida. Luego realizaron otros análisis en colaboración con el grupo de investigación del Prof. Amit para demostrar que habían observado directamente una transición topológica.
En sus experimentos recientes, el grupo del profesor Mandar en TIFR midió específicamente el voltaje de Hall no lineal en su muestra de grafeno de doble bicapa retorcida. Este es un voltaje no lineal que puede ser impulsado por una corriente eléctrica perpendicular en el plano en la medición de la barra de Hall.
El dipolo de curvatura de Berry (BCD) de TDBG, indicado mediante color. El color púrpura oscuro indica un BCD negativo, mientras que el color amarillo brillante indica un BCD positivo. Al aumentar la magnitud del campo eléctrico perpendicular, podemos atravesar la flecha discontinua para detectar el cambio de signo del BCD. El cambio de signo de BCD ocurre debido a una transición topológica. Crédito:Sinha et al.
"Por lo general, el voltaje de Hall se desarrolla perpendicular al flujo de corriente cuando se aplica un campo magnético externo perpendicular al plano de la muestra". Sinha explicó. "Curiosamente, el trabajo teórico pionero de Sodemann y Fu demostró que también se puede tener un voltaje Hall en ausencia de un campo magnético incluso en materiales no magnéticos debido a las bandas topológicas, y medimos este voltaje".
El efecto combinado de una curvatura de Berry distinta de cero y pequeñas cantidades de tensión en el sistema de grafeno bicapa retorcido puede dar lugar a lo que se conoce como el "dipolo de curvatura de Berry". Esta medición única genera un voltaje Hall no lineal que escala cuadráticamente con la corriente aplicada a una muestra de material.
"Aplicamos una corriente de baja frecuencia y medimos el voltaje Hall al doble de la frecuencia de la corriente aplicada para detectar el voltaje Hall no lineal", dijo Sinha. "Luego, usamos un análisis de escala para detectar un cambio de signo en el dipolo de curvatura de Berry, lo que indica una transición de fase topológica".
Las transiciones de fase topológicas son increíblemente difíciles de detectar experimentalmente. No obstante, muchos estudios teóricos y experimentales han insinuado recientemente una transición en la topología de las bandas de grafeno de doble bicapa retorcida. El trabajo reciente del equipo ofrece una observación directa de esta transición de fase en un entorno experimental.
"Usando medidas de transporte, detectamos esta transición topológica directamente a través de un cambio de signo en el dipolo de curvatura de Berry", explicó Sinha. "Esto nos brinda un control experimental para probar la física geométrica de la banda y las transiciones de fase topológicas simultáneamente".
Los hallazgos recopilados por este equipo de investigadores podrían tener implicaciones muy importantes para el estudio de las transiciones de fase topológicas en el grafeno de doble bicapa retorcida. En el futuro, los métodos que emplearon pueden ayudar a detectar transiciones topológicas en otros materiales y sistemas.
"Una dirección futura inmediata para nuestro trabajo puede ser usar nuestra técnica para trazar la transición de fase en función del ángulo de giro o el orden de apilamiento", agregó Sinha. "Además, esperamos que nuestro método también se emule en otros materiales 2D o incluso 3D para caracterizar transiciones de fase topológicas similares. En general, el interés de investigación en efectos Hall no lineales está creciendo debido a sus muchas ventajas, una de las cuales es probar la propiedades geométricas y topológicas de banda de los materiales. Tendremos que esperar y ver las vías interesantes a las que pueden acceder los efectos no lineales, a medida que se desarrollan".
© 2022 Red Ciencia X El grafeno bicapa retorcido especialmente orientado alberga estados electrónicos topológicos
