Ilustración de un patrón muaré que emerge al apilar y rotar dos hojas de grafeno bicapa. Los estados electrónicos correlacionados con el orden magnético emergen en el grafeno de doble bicapa retorcido sobre un pequeño rango de ángulos de torsión, y se puede sintonizar con puerta y aplicando un campo eléctrico. Crédito:He et al.
En los ultimos años, un número creciente de investigadores en todo el mundo ha estado realizando estudios que investigan las propiedades y características de los llamados materiales retorcidos de van der Waals (vdW). Esta clase única de materiales podría ser una plataforma ideal para examinar las fases correlacionadas que ocurren como resultado de fuertes interacciones entre electrones.
Investigadores de la Universidad de Washington y el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Japón han llevado a cabo recientemente un estudio que explora específicamente estados de aislamiento correlacionados que pueden ocurrir en heteroestructuras retorcidas de vdW y que podrían ajustarse cambiando el ángulo de torsión y aplicando un campo eléctrico externo. En su papel publicado en Física de la naturaleza , presentan medidas de transporte eléctrico de grafeno de doble bicapa trenzado, a partir de lo cual pudieron examinar el papel de la ruptura espontánea de la simetría en el diagrama de fase del material.
Los físicos de la materia condensada han sabido cómo aislar hojas de una sola capa de materiales como el grafeno durante más de 15 años utilizando un procedimiento de exfoliación con cinta adhesiva. Ahora también saben cómo recoger láminas atómicas delgadas individualmente y ensamblarlas una encima de la otra. Si se giran con un pequeño ángulo de giro, emerge un patrón de interferencia geométrico llamado patrón muaré. Este patrón puede modificar fuertemente las propiedades electrónicas de una estructura compuesta.
"En algunos casos, el patrón muaré puede resultar en nuevos estados electrónicos espectaculares que son impulsados por fuertes interacciones entre los electrones en el material, "Matthew Yankowitz, profesor asistente de Física y Ciencia e Ingeniería de Materiales en la Universidad de Washington, quien realizó el estudio, dijo Phys.org. "Esto fue descubierto por primera vez en 2018 por investigadores del MIT, que observaron superconductividad y estados de aislamiento correlacionados al apilar dos láminas de grafeno monocapa torcidas 1,1 ° (es decir, grafeno bicapa retorcido de ángulo mágico). Estos estados correlacionados son especialmente emocionantes porque residen en una estructura estequiométricamente simple compuesta completamente de átomos de carbono y se pueden ajustar dinámicamente usando una serie de botones experimentales como el dopaje de carga, ángulo de giro y presión ".
También se han observado previamente estados correlacionados similares en cristales a granel, sin embargo, en estos materiales, eran mucho más difíciles de sintonizar y modelar teóricamente debido a las complejas estructuras de los cristales. La comprensión de estos estados fuertemente correlacionados sigue siendo un desafío clave en la física de la materia condensada.
El objetivo del trabajo reciente de Yankowitz y sus colegas fue obtener información sobre cómo estos estados correlacionados en heteroestructuras vdW pueden usarse en investigación y desarrollo tecnológico. Poco después de que fueron vistos por primera vez en grafeno bicapa retorcido de ángulo mágico, Los equipos de investigación de todo el mundo se dieron cuenta de que estos estados también se podían encontrar en heteroestructuras que contienen dos láminas retorcidas de grafeno bicapa (es decir, cuatro capas de grafeno en total).
"En este caso, los estados correlacionados podrían controlarse adicionalmente mediante un campo eléctrico aplicado perpendicularmente a las láminas de grafeno, ", Explicó Yankowitz." Sin embargo, la naturaleza exacta de estos estados seguía siendo algo misteriosa. En particular, había características que se asemejaban a una forma exótica de superconductividad, sin embargo, el origen exacto de estas características no se entendió bien. La motivación principal de nuestro estudio fue abordar estas preguntas mediante el estudio del grafeno de doble bicapa retorcido con sintonización eléctrica ".
Como parte de su estudio, Yankowitz y sus colegas midieron el transporte eléctrico en función de la temperatura y el campo magnético. Cuando hay un pequeño campo magnético, el signo de resistencia transversal a la corriente aplicada, que se conoce como resistencia Hall, indica qué tipo de partículas subatómicas (es decir, electrones o 'agujeros') son los principales portadores de carga dentro de un material.
Imagen de microscopio óptico de un dispositivo de grafeno de doble capa retorcida. Crédito:He et al.
Cuando los estados correlacionados rompen espontáneamente una simetría (es decir, ya sea espín de electrones o simetría de valle) en grafeno de doble bicapa trenzado a bajas temperaturas, la estructura electrónica del material cambia rápidamente, y sus principales portadores de carga también pueden cambiar. Por lo tanto, La medición simultánea de la resistividad del material y el efecto Hall puede ofrecer información valiosa sobre los estados correlacionados dentro de él.
"Al medir cuidadosamente la resistividad y el efecto Hall del grafeno de doble bicapa retorcido en función de la temperatura, encontramos que la resistividad abrupta cae, recuerda a la superconductividad, también se asociaron con un cambio de signo simultáneo en su resistencia Hall, "dijo Xiaodong Xu, profesor de Física y Ciencia e Ingeniería de Materiales en la Universidad de Washington. "Esta observación es más consistente con el inicio del orden magnético debido a la ruptura espontánea de la simetría que con la superconductividad".
Curiosamente, la caída de resistividad observada por Yankowitz, Xu y sus colegas en el grafeno de doble bicapa retorcido sufren el cambio más brusco en función de la temperatura en el límite de los estados de ruptura de simetría. Como parte de su estudio, los investigadores también investigaron el transporte en función del sesgo causado por una corriente eléctrica aplicada.
Cuando aplicaron una corriente al material, observaron firmas asociadas con el transporte no lineal. Aunque el transporte no lineal también se observa en estados superconductores, encontraron que en su muestra probablemente era el resultado de los mecanismos de calentamiento de Joule.
"Nuestro trabajo proporciona una nueva comprensión crítica de características previamente misteriosas asociadas con estados correlacionados en el grafeno de doble bicapa retorcido, ", Dijo Yankowitz." Aunque no podemos descartar directamente la superconductividad, nuestros resultados sugieren que el magnetismo impulsado por la ruptura espontánea de la simetría es un candidato plausible para el estado metálico correlacionado en el grafeno de doble bicapa retorcido ".
En años recientes, Se han observado características de superconductividad similares a la examinada por este equipo de investigadores en una amplia variedad de heteroestructuras de muaré vdW. Los nuevos hallazgos que presentaron podrían ayudar a diferenciar estos estados de la superconductividad que estudios anteriores revelaron en el grafeno bicapa retorcido de ángulo mágico.
Además, las observaciones recopiladas por Yankowitz, Xu y sus colegas podrían ayudar a comprender mejor la naturaleza de los estados correlacionados en heteroestructuras muaré vdW desde un punto de vista teórico, que hasta ahora ha resultado ser un gran desafío. Los investigadores planean utilizar la información que obtuvieron para desarrollar sondas más directas para comprender estos estados.
"Dado que nuestros resultados sugieren que los estados metálicos correlacionados están ordenados magnéticamente, nos gustaría observar firmas directas de este magnetismo utilizando una combinación de transporte eléctrico y espectroscopia óptica, ", Dijo Yankowitz." También estamos investigando nuevas formas de controlar estos estados correlacionados, por ejemplo, aplicando alta presión para modificar el acoplamiento entre capas y la estructura cristalina del material. Finalmente, La teoría predice que este material puede albergar estados topológicos, como el efecto Hall anómalo cuántico, por lo que ahora estamos buscando formas de exponer y probar esta topología no trivial ".
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