En 2018 se descubrió que dos capas de grafeno torcidas una con respecto a la otra por un ángulo "mágico" muestran una variedad de fases cuánticas interesantes, incluida la superconductividad, magnetismo y comportamientos aislantes. Ahora, un equipo de investigadores del Instituto de Ciencias Weizmann dirigido por el Prof.Shahal Ilani del Departamento de Física de la Materia Condensada, en colaboración con el grupo del Prof. Pablo Jarillo-Herrero en el MIT, han descubierto que estas fases cuánticas descienden de un "estado padre" de alta energía previamente desconocido con una ruptura inusual de la simetría.

El grafeno es un cristal plano de carbono, solo un átomo de espesor. Cuando se colocan dos hojas de este material una encima de la otra, desalineado en un ángulo pequeño, aparece un patrón "muaré" periódico. Este patrón proporciona una red artificial para los electrones en el material. En este sistema bicapa retorcido, los electrones vienen en cuatro "sabores":gira "hacia arriba" o "hacia abajo, "combinado con dos" valles "que se originan en la red hexagonal del grafeno. Como resultado, cada sitio de muaré puede contener hasta cuatro electrones, uno de cada sabor.

Si bien los investigadores ya sabían que el sistema se comporta como un simple aislante cuando todos los sitios de muaré están completamente llenos (cuatro electrones por sitio), Jarillo-Herrero y sus colegas descubrieron para su sorpresa, en 2018, que en un ángulo "mágico" específico, el sistema retorcido también se vuelve aislante en otros rellenos enteros (dos o tres electrones por sitio muaré). Este comportamiento, exhibido por grafeno bicapa retorcido de ángulo mágico (MATBG), no puede ser explicado por la física de una sola partícula, ya menudo se describe como un "aislante de Mott correlacionado". Aún más sorprendente fue el descubrimiento de una superconductividad exótica cerca de estos empastes. Estos hallazgos llevaron a una gran cantidad de actividad de investigación con el objetivo de responder a la gran pregunta:¿cuál es la naturaleza de los nuevos estados exóticos descubiertos en MATBG y sistemas retorcidos similares?

Imágenes de electrones de grafeno de ángulo mágico con un detector de nanotubos de carbono

El equipo de Weizmann se propuso comprender cómo se comportan los electrones que interactúan en MATBG utilizando un tipo único de microscopio que utiliza un transistor de un solo electrón de nanotubos de carbono, colocado en el borde de un voladizo de la sonda de exploración. Este instrumento puede visualizar, en el espacio real, el potencial eléctrico producido por los electrones en un material con extrema sensibilidad.

"Con esta herramienta, pudimos imaginar por primera vez la 'compresibilidad' de los electrones en este sistema, es decir, qué tan difícil es exprimir electrones adicionales en un punto dado en el espacio, "explica Ilani." En términos generales, la compresibilidad de los electrones refleja la fase en la que se encuentran:En un aislante, los electrones son incompresibles, mientras que en un metal son muy comprimibles ".

La compresibilidad también revela la "masa efectiva" de los electrones. Por ejemplo, en el grafeno normal, los electrones son extremadamente "ligeros, "y así se comportan como partículas independientes que prácticamente ignoran la presencia de sus compañeros electrones. En el grafeno de ángulo mágico, por otra parte, Se cree que los electrones son extremadamente "pesados" y, por lo tanto, su comportamiento está dominado por interacciones con otros electrones, un hecho que muchos investigadores atribuyen a las fases exóticas que se encuentran en este material. Por lo tanto, el equipo de Weizmann esperaba que la compresibilidad mostrara un patrón muy simple en función del llenado de electrones:el intercambio entre un metal altamente compresible con electrones pesados ​​y aislantes Mott incompresibles que aparecen en cada relleno de celosía de muaré entero.

Para su sorpresa, observaron un patrón muy diferente. En lugar de una transición simétrica de metal a aislante y de regreso a metal, observaron un agudo, salto asimétrico en la compresibilidad electrónica cerca de los rellenos enteros.

"Esto significa que la naturaleza de los operadores antes y después de esta transición es marcadamente diferente, ", dice el autor principal del estudio, Uri Zondiner." Antes de la transición, los transportadores eran extremadamente pesados, y después parecen extremadamente ligeros, recuerda a los 'electrones de Dirac' que están presentes en el grafeno ".

Se observó que el mismo comportamiento se repite cerca de cada llenado de números enteros, donde los portadores pesados ​​cedieron abruptamente y reaparecieron electrones ligeros similares a los de Dirac.

Pero, ¿cómo se puede entender un cambio tan abrupto en la naturaleza de los transportistas? Para abordar esta pregunta, el equipo trabajó junto con los teóricos de Weizmann Profs. Erez Berg, Yuval Oreg y Ady Stern, y Dra. Raquel Quiroez; así como el Prof. Felix von-Oppen de Freie Universität Berlin. Construyeron un modelo simple, revelando que los electrones llenan las bandas de energía en MATBG de una manera muy inusual "Sisyphean":cuando los electrones comienzan a llenarse desde el "punto de Dirac" (el punto en el que las bandas de valencia y conducción simplemente se tocan entre sí), se comportan normalmente, distribuyéndose equitativamente entre los cuatro posibles sabores. "Sin embargo, cuando el relleno se acerca al de un número entero de electrones por sitio de superrejilla muaré, ocurre una transición de fase dramática, "explica el autor principal del estudio, Asaf Rozen". En esta transición, un sabor 'agarra' a todos los portadores de sus pares, 'restablecerlos' de nuevo al punto Dirac de carga neutral ".

"Queda sin electrones, los tres sabores restantes deben comenzar a rellenarse nuevamente desde cero. Lo hacen hasta que se produce otra transición de fase, donde esta vez uno de los tres sabores restantes agarra todos los portadores de sus pares, empujándolos de nuevo al punto de partida. Por lo tanto, los electrones necesitan escalar una montaña como Sísifo, being constantly pushed back to the starting point in which they revert to the behavior of light Dirac electrons, " says Rozen. While this system is in a highly symmetric state at low carrier fillings, in which all the electronic flavors are equally populated, with further filling it experiences a cascade of symmetry-breaking phase transitions that repeatedly reduce its symmetry.

A 'parent state'

"What is most surprising is that the phase transitions and Dirac revivals that we discovered appear at temperatures well above the onset of the superconducting and correlated insulating states observed so far, " says Ilani. "This indicates that the broken symmetry state we have seen is, De hecho, the 'parent state' out of which the more fragile superconducting and correlated insulating ground states emerge."

The peculiar way in which the symmetry is broken has important implications for the nature of the insulating and superconducting states in this twisted system.

"Por ejemplo, it is well known that stronger superconductivity arises when electrons are heavier. Our experiment, sin embargo, demonstrates the exact opposite:superconductivity appears in this magic-angle graphene system after a phase transition has revived the light Dirac electrons. How this happens, and what it tells us about the nature of superconductivity in this system compared to other more conventional forms of superconductivity remain interesting open questions, " says Zondiner.

A similar cascade of phase transitions was reported in another paper published in the same Naturaleza issue by Prof. Ali Yazdani and colleagues at Princeton University. "The Princeton team studied MATBG using a completely different experimental technique, based on a highly-sensitive scanning tunneling microscope, so it is very reassuring to see that complementary techniques lead to analogous observations, " says Ilani.

The Weizmann and MIT researchers say they will now use their scanning nanotube single-electron-transistor platform to answer these and other basic questions about electrons in various twisted-layer systems:What is the relationship between the compressibility of electrons and their apparent transport properties? What is the nature of the correlated states that form in these systems at low temperatures? And what are the fundamental quasiparticles that make up these states?

El estudio, "Cascade of phase transitions and Dirac revivals in magic angle graphene, " was published June 11 in the journal Naturaleza .