Imagínese apilando dos hojas de grafeno, la forma 2D de grafito, o el lápiz que tienes en la mano, en el que los átomos de carbono forman una red hexagonal y tuercen la hoja superior fuera de alineación con la hoja de abajo, produciendo una disposición periódica de átomos denominada patrón muaré. ¿Sabes que en un ángulo torcido de aproximadamente 1 ° —la gente ahora lo llama el ángulo 'mágico' - el sistema podría exhibir comportamientos muy exóticos, como convertirse en un aislante, un metal o incluso un superconductor? ¿Te imaginas que el mismo átomo de carbono de tu lápiz (grafito) se convierta en un superconductor cuando se tuerce en el ángulo mágico? De hecho, lo hizo como la gente lo descubrió en 2018, ¿pero por qué? Un equipo de investigadores del Departamento de Física de la Universidad de Hong Kong (HKU) y sus colaboradores han logrado descubrir un aislante Mott topológico genuino en un modelo de grafeno bicapa retorcido. Los hallazgos han sido publicados en una revista de renombre. Comunicaciones de la naturaleza .

Las razones detrás de estos emocionantes fenómenos son las fronteras de la física de la materia condensada y la investigación de materiales cuánticos. ambos experimentales, teórico y computacional, generalmente en forma combinada. La comprensión básica hasta ahora es que una vez que las dos hojas de grafeno forman patrones muaré en los ángulos mágicos, las bandas de energía de los electrones en el grafeno bicapa retorcido se vuelven casi planas, en otras palabras, la velocidad de los electrones en la red se vuelve considerablemente más baja de lo habitual (en comparación con la del grafeno o grafito de una sola capa, nuestro lápiz), por lo tanto, la densidad de los electrones para esta energía específica es tremendamente grande y los electrones pueden interactuar fuertemente entre sí, dando lugar a muchos estados inesperados, p.ej., el superconductor, efecto Hall cuántico.

Como resultado, el comportamiento del electrón está dominado por las interacciones repulsivas mutuas (Coulomb), lo que lleva al surgimiento de las fases exóticas comentadas anteriormente que no existen en capas únicas de grafeno o nuestro lápiz. A bajas temperaturas (por debajo de 10 Kelvin), cuando el número de electrones se sintoniza para llenar grados enteros de libertad de las bandas planas, significa que algunas de estas bandas están completamente ocupadas mientras que las otras están completamente vacías, el sistema formaría entonces una fase eléctricamente aislante. Es más, cuando el número de electrones se desvía de los rellenos enteros, el sistema se convierte en un metal (con baja resistividad eléctrica) o en un superconductor (resistencia cero).

Los fenómenos del grafeno bicapa retorcido del ángulo mágico son ricos y profundos, y los físicos de todo el mundo están ahora esforzándose mucho para construir modelos microscópicos adecuados y encontrar poderosas metodologías de cálculo para capturar las misteriosas propiedades de estos modelos. Recientemente, Dr. BinBin Chen y Dr. Zi Yang Meng del Departamento de Física, HKU, en colaboración con instituciones de China y EE. UU., logró hacerlo con un progreso sustancial. Han desmitificado el diagrama de fase de un modelo con una densidad específica de electrones y han identificado el estado de Hall anómalo cuántico observado experimentalmente, que es un estado cuántico novedoso con corriente de borde sin disipación y que promete ser utilizado como un componente básico de sus dispositivos electrónicos diarios, p.ej. computadora, teléfono inteligente.

Efecto Hall anómalo cuántico en un modelo efectivo de grafeno bicapa retorcido

Los investigadores prestan especial atención al relleno entero ν =3 del grafeno bicapa retorcido del ángulo mágico, ya que en el mismo caso de llenado, el experimento muestra que en la alineación del sustrato de nitruro de boro hexagonal, los electrones exhiben conductancia Hall cuantificada σxy =e2 / h sin ejercer un campo magnético, el llamado estado de Hall anómalo cuántico (QAH). El estado QAH es un estado topológico interesante con la mayor parte aislante restante y el borde conduciendo la corriente eléctrica sin disipación. Hasta ahora, el mecanismo de tal estado QAH todavía está en debate. En el trabajo, Los investigadores muestran que tal efecto se puede realizar en un modelo de celosía de grafeno bicapa retorcido en el límite de acoplamiento fuerte, e interpretar los resultados en términos de una fase de aislante de Mott topológica.

Específicamente, Los investigadores presentan su estudio teórico sobre el mecanismo de QAH impulsado por interacciones proyectadas de Coulomb. Empleando extensas simulaciones de grupos de renormalización de matriz de densidad en el modelo de celosía que interactúa, identifican una fase QAH con conductancia Hall de σxy =e2 / h, que está separada de una fase de onda de densidad de carga aislante (raya) por una transición de fase cuántica de primer orden a αc ≃ 0,12. Para calcular la conductancia Hall en la fase QAH, en realidad siguen el gedankenexperiment de Laughlin. Es decir, insertando un fundente φ lentamente de 0 a 2π a través del orificio del cilindro, observamos exactamente que se bombea un electrón del borde izquierdo al derecho, correspondiente a la conductancia Hall cuantificada de σxy =e2 / h. Este trabajo aborda la pregunta actualmente popular sobre el origen de QAH en el grafeno bicapa retorcido con un llenado ν =3.

La primera instancia de aislante topológico de Mott

El estado QAH descubierto a partir del cálculo del modelo proviene puramente de las propiedades únicas de la interacción de Coulomb en el sistema de grafeno bicapa retorcido de ángulo mágico. Y es el primer ejemplo de un estado cuántico de la materia topológico impulsado por la interacción que se ha descubierto sin ambigüedades. El impacto de tal descubrimiento está incluso más allá del área del grafeno bicapa retorcido de ángulo mágico y han respondido a una propuesta en el estado topológico genérico de la materia hace una década.

Uno de los revisores, Dr. Nick Bultinck, un teórico teórico de la materia condensada de la Universidad de Oxford, otorgó una alta calificación al trabajo y dijo:"En su artículo seminal, Haldane ha demostrado que no se necesita un campo magnético para que los electrones ocupen estados extendidos topológicamente no triviales que respondan a la inserción de flujo adiabático de Laughlin produciendo una corriente de Hall cuantificada. Los resultados de este trabajo muestran que ni siquiera se necesita un término de energía cinética en el hamiltoniano para que esto ocurra ".

En efecto, no limitado al sistema de grafeno bicapa retorcido, nuestro trabajo, por primera vez, proporciona una perspectiva de Mott-Hubbard para el estado de QAH impulsado únicamente por interacciones. Como consecuencia, aclaramos el antiguo misterio de la posible existencia del aislante topológico Mott (TMI), la piedra angular de la llamada autopista de la información debido a su capacidad para transferir electricidad e información sin pérdidas.

El famoso físico chino-estadounidense, El profesor Shou-Cheng ZHANG (1963-2018) y sus colaboradores propusieron por primera vez un estado TMI de este tipo hace aproximadamente una década, y posteriormente, Varios teóricos han estudiado varios modelos de interacción. Entre todos los trabajos anteriores, los términos cinéticos juegan un papel crucial en el surgimiento de QAH, y por lo tanto, el estado obtenido no debe denominarse "TMI". Sin embargo, nuestro modelo apaga completamente la parte cinética y contiene solo las interacciones para producir el estado TMI. A este respecto, Nuestro trabajo une los dos campos esenciales de la física de la materia condensada:la topología y la fuerte correlación. Desde aquí se puede acceder a una mayor extensión de la construcción de nuestro modelo y a los cálculos cuánticos de muchos cuerpos insesgados.

Impacto y direcciones futuras

Como la cantidad de transistores en los chips de nuestra computadora se duplica cada 18 meses, el calor que generan junto con la transferencia de electricidad se está convirtiendo gradualmente en un problema grave. El descubrimiento del efecto Hall anómalo cuántico es de gran importancia, ya que no se genera disipación de energía ni calor en el borde. En la práctica, tal estado es el componente básico de la autopista de la información y promete ser aplicado en el chip de próxima generación.

El descubrimiento de la QAH como el estado del aislante de Mott topológico en el cálculo de nuestro modelo en el llenado v =3 arroja luz sobre las fases que ocurren en el grafeno bicapa retorcido de ángulo mágico. Un modelado y un cálculo más cuidadosos de los modelos de celosía del sistema revelarían el mecanismo de la superconductividad y proporcionarían una mejor sintonización de estos fenómenos exóticos en este y otro material muaré cuántico 2D. Los nuevos hallazgos también dejan muchas preguntas abiertas. Por ejemplo, ¿Por qué el estado del aislante de Mott topológico está ausente en otros rellenos de la estructura de la banda de la bicapa retorcida de ángulo mágico? cómo estudiar y calcular correctamente las propiedades del modelo fuera de los rellenos de números enteros, etc? "Las respuestas a estas preguntas podrían ayudar a los físicos a desmitificar por completo la magia de este material y diseñar fases más emocionantes de la materia en este y otros materiales muaré cuánticos 2D que se están estudiando activamente". Dr. Meng agregó, "Y nuestra actividad investigadora y nuestra experiencia en materiales cuánticos 2D pueden impulsar sustancialmente esta dirección, que son los temas estratégicos de investigación de HKU ".