Under de senaste åren, många fysiker och materialvetare världen över har undersökt egenskaperna och egenskaperna hos magisk vinkel twisted bilayer graphene (MATBG). MATBG är ett starkt korrelerat material som först genomfördes experimentellt under 2018. Detta unika material är värd för en mängd olika högkorrelerade faser, inklusive metaller, halvmetaller, Tjernisolatorer, kvantavvikande halltillstånd och, kanske mest intressant, supraledning.

Forskare vid University of California, Berkeley (UC Berkeley) har nyligen genomfört en studie som undersöker effekterna av uniaxial heterostrain på det interagerande fasdiagrammet för MATBH. Deras fynd, publicerad i Fysiska granskningsbrev , föreslå att små stamvärden ledde till en fasövergång mellan noll temperatur mellan två tillstånd, nämligen den symmetribrutna Kramers intervalley-koherenta isolatorn och nematiska halvmetallfaser.

"Ett viktigt mål för vårt område är att förstå ursprunget till supraledning i MATBG och utplåna den ansvariga mekanismen, "Daniel Parker och Tomo Soejima, två av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org via e -post. "Dock, det finns ett viktigt pussel i MATBG -fasdiagrammet, vilket försvårar alla försök att gudomliggöra supraledningens natur, nämligen laddningsneutralitet, vissa experiment hittar ett halvmetalliskt tillstånd, medan andra ser isolatorer. Vårt arbete föreslår att en viss fasövergång kan lösa denna skillnad. "

Alla åtgärder och förändringar i MATBG sker i det som kallas dess aktiva band. Dessa band inkluderar 2 Chern -band, gånger 2 dalar och gånger 2 snurr, för totalt 8. Forskare kan enkelt justera antalet elektroner i systemet experimentellt, vilket i sin tur låter dem ställa in dessa band från alla tomma till alla fulla.

"Som en analogi, man kan tänka på det här som att ha 8 hinkar som kan fyllas med vatten, "Parker förklarade." För en viss mängd vatten, MATBG väljer ut en, och bara en, sätt att fördela vattnet. Till exempel, om det finns två hinkar värda vatten, då kan MATBG välja att fylla 2 hinkar fulla till brädden, eller för att fylla 4 hinkar varje halvvägs. Systemets fas är märkt med två saker:1. hur vattnet (elektroner) fördelas i skoporna (band) och 2. hur svårt det är att tillsätta ytterligare en droppe vatten (dvs. om systemet är isolerande eller ledande). "

Även om ett systems isolerande eller ledande natur är ganska lätt att utläsa experimentellt, fördelningen av elektroner i MATBH -banden mycket svårare att bestämma. I deras papper, Parker, Soejima och deras kollegor ville utforska vad som händer när antalet elektroner är sådant att det avbryter laddningen av kolatomer (känd som laddningsneutralitetspunkten) eller, när man överväger vattenhinkarnas analogi, om hinkarna är halvvägs fyllda med vatten.

Medan några tidigare studier som undersökte detta har observerat isoleringstillstånd (dvs. där det är svårt att lägga till "en droppe till"), andra har i stället observerat metaller eller halvmetalliska tillstånd. Ur en teoretisk synvinkel, tidigare arbete av Nick Bultinck och hans medarbetare tyder på att det isolerande tillståndet kan vara ett Kramers-intervalley koherent (KIVC) tillstånd. För att förklara detta med vattenhinkanalogin, det vore som om alla hinkar var fyllda halvvägs, men de var konstigt ihopkopplade med en partner fylld endast på vänster halva och den andra fylldes bara till höger.

"Ytterligare arbete av Bultinck och hans kollegor visade att detta tillstånd är ett möjligt ursprung för supraledning i MATBG, "Parker och Soejima sa." Den alternativa semimetalliska fasen är mycket mer konventionell, där den nedre halvan av varje hink är fylld. Den främsta frågan vi ville svara på var varför, när tidigare teori förutspådde ett KIVC -tillstånd, man kan observera halvmetalen istället. "

En möjlig anledning till avvikelserna i tidigare observationer är att olika enheter har något olika Hamiltonianer. Vissa lag kunde använda en förenklad modell av MATBG, introducerades först av Bistrizter och McDonald, för att undersöka egenskaperna hos MATBG -prover.

Nyliga studier, dock, avslöjade att i sin ursprungliga form, den så kallade BM-modellen, fångar inte upp icke-lokal tunnel som finns i DFT, inriktning med hBN -substrat, och renormalisering av fri-fermionbandstruktur, och andra effekter. Parker, Soejima och deras kollegor ville således avgöra vilken effekt som kan övervägas för att förklara den observerade avvikelsen.

"Bultinck hade en skarp misstanke om att belastningen kan vara den skyldige som är ansvarig för denna skillnad, "Parker och Soejima sa." Även om ett realistiskt sätt att modellera stam i MATBG redan hade föreslagits och dess effekt på icke-interagerande bandstruktur (dvs. lösning av Hamiltonian utan Coulomb -interaktion) hade undersökts, dess effekt på fasdiagrammet i närvaro av interaktion hade inte undersökts hittills. "

För att testa hypotesen som introducerades av Bultinck, forskarna använde två kompletterande numeriska tekniker, känd som självkonsistent Hartree-Fock (HF) och densitetsmatrisrenormaliseringsgrupp (DMRG). Hartree-Fock är en standard approximation som innehåller de viktigaste effekterna av elektron-elektron-interaktioner. Denna approximation är mycket flexibel; Således, det gör det möjligt för forskare att undersöka stora systemstorlekar på 24 x 24 enheter celler.

"Eftersom HF är en approximation, det finns alltid den skrämmande möjligheten att den producerar en "falsk" fas, "Parker och Soejima sa" Vi använde alltså DMRG för att utesluta detta. DMRG är en opartisk numerisk teknik som, med tillräcklig beräkningskraft, kommer att avgöra systemets sanna fas. Att använda det för 2D-system med långdistansinteraktioner som vi har här är icke-trivialt, och kräver speciella tekniker som utvecklats av oss i ett tidigare dokument. "

Jämfört med HF -approximation, DMRG är långsammare, dyrare och kan bara användas för att undersöka små system. För att uppnå tillförlitliga resultat, Parker, Soejima och deras kollegor bestämde sig därför för att använda HF och DMRG samtidigt, eftersom HF tillät dem att kartlägga hela fasdiagrammet och DMRG för att verifiera att HF -approximationen var korrekt.

"Det viktigaste fyndet i vårt arbete är att små mängder heterostrain (exakt i intervallet ε∼0,1% –0,2%) kan förstöra KIVC -fasen och ersätta den med en halvmetall, "Parker och Soejima sa." Varje ark med grafen som tillverkas i laboratoriet är alltid under viss stress, som komprimerar den i ena riktningen medan den sträcks i den andra. I MATBG, man har ytterligare möjlighet till heterostrain, där det översta lagret komprimeras längs bottenlagrets sträckningsaxel, och vice versa."

Förr, några forskare utförde experiment för att mäta heterostrain i MATBG -prover och fann att den var liten, varierar mellan 0,1% - 0,7%. När Parker, Soejima, och deras kollegor först började utforska detta ämne, de var ganska skeptiska till att en så liten belastning skulle ha särskilda effekter, så deras resultat kom som en överraskning för dem.

"En implikation av våra resultat är att stam är en viktig parameter för att karakterisera experimentellt, "Parker och Soejima sa." Experimentisterna som tillverkar och mäter tvinnad tvålagers grafen gör ett otroligt jobb med att jonglera och kontrollera många felkällor. Att eliminera en så liten belastning är förmodligen knepigt, men vi misstänker att någon kommer att hitta ett sätt att göra det förr eller senare. "

Övergripande, fynden tyder på att belastning är en viktig 'vridknapp' i MATBG eftersom den kan framkalla fasövergångar, det bör därför mätas och karaktäriseras när det är möjligt. Denna observation kan ha viktiga konsekvenser för framtida forskning inom materialvetenskap, eftersom det kan bidra till att förbättra prestandan hos vriden tvålagers grafen.

"Vårt nästa mål är att förstå ursprunget till supraledning i magisk vinkelgrafen, "Parker och Soejima sa." Ett spännande förslag är att det kan förmedlas av kvasipartiklar som kallas Skyrmions istället för standardfononerna. Om detta verkligen är fallet, Vi hoppas kunna bekräfta det genom att utöka verktygen som används i detta arbete. "

© 2021 Science X Network