Forskare vid Weizmann Institute of Science, Barcelona Institute of Science and Technology och National Institute for Material Science i Tsukuba (Japan) har nyligen undersökt en Chern-mosaiktopologi och Berry-curvature magnetism i magisk vinkelgrafen. Deras artikel, publicerad i Nature Physics , ger ny insikt om topologisk störning som kan uppstå i fysiska system för kondenserad materia.

"Magic angle twisted bilayer graphene (MATBG) har rönt ett enormt intresse under de senaste åren på grund av dess experimentellt tillgängliga platta band, vilket skapar en lekplats av mycket korrelerad fysik," Matan Bocarsly, en av forskarna som genomförde studien , berättade för Phys.org, "En sådan korrelerad fas som observeras i transportmätningar är den kvantanomala Hall-effekten, där topologiska kantströmmar är närvarande även i frånvaro av ett applicerat magnetfält."

Den kvantanomala Hall-effekten är ett laddningstransportrelaterat fenomen, där ett material Hall-resistans kvantiseras till den så kallade von Klitzing-konstanten. Den liknar den så kallade heltalskvant-Hall-effekten, som Bocarsly och hans kollega hade studerat mycket i sina tidigare arbeten, särskilt i grafen och MATBG.

Med utgångspunkt i sina tidigare upptäckter satte forskarna sig för att ytterligare undersöka den kvantanomala Hall-effekten med hjälp av de mätverktyg som de fann vara mest effektiva. För att göra detta använde de en skanningssupraledande kvantinterferensanordning (SQUID), som tillverkades på spetsen av en vass pipett. Den här enheten är en extremt känslig lokal magnetometer (det vill säga en sensor som mäter magnetfält), som kan samla in bilder i 100nm-skalan.

"Genom att variera bärardensiteten för vårt prov, mätte vi svaret på det lokala magnetfältet," förklarade Bocarsly. "Vid låga applicerade fält är detta magnetiska svar exakt korrelerat med den interna omloppsmagnetiseringen av Bloch-vågfunktionerna, som induceras av Berry-kurvaturen. Så i huvudsak har vi en lokal sond som mäter den lokala Berry-kurvaturen."

Att direkt mäta orbitalmagnetismen inducerad av lokal bärkrökning i MATBG är en mycket utmanande uppgift, som aldrig hade uppnåtts tidigare. Detta beror på att signalen är extremt svag och därför undviker den de flesta befintliga magnetiska mätverktyg.

Bocarsly och hans kollegor var de första som direkt mätte denna svårfångade signal. Under sina experiment observerade de också en Chern-mosaiktopologi i sitt prov, vilket identifierade en ny topologisk störning i MATBG.

"Chern-numret, eller topologin för ett elektroniskt system, anses generellt vara en global topologisk invariant," sa Bocarsly. "Vi observerade att på en enhetsskala (ordning av mikron) är C-talet inte invariant, utan växlar mellan +1 och -1. Detta introducerar en ny typ av störning, topologisk störning, i system för kondenserad materia som måste beaktas för tillverkning av enheter och teoretisk analys."

Den nyligen genomförda studien av detta team av forskare bidrar i hög grad till förståelsen av MATBG, både när det gäller dess magnetism och topologi. I framtiden kan det informera om utvecklingen av mer exakta teoretiska modeller av detta material, samtidigt som det potentiellt kan underlätta dess implementering i olika kvantberäkningsenheter.

"Vår lågfältsmagnetiseringssond för lokala orbitala kretsar kan också användas för att undersöka andra fundamentala egenskaper som brytning av lokal tidsomkastningssymmetri," tillade Bocarsly. "Det finns fortfarande många öppna frågor om heltalsfyllningstillstånd för MATBG och symmetrierna som de lyder, vilket kan vara en intressant riktning för framtida utforskning." + Utforska vidare

Den direkta detekteringen av en topologisk fasövergång genom en teckenförändring i Berry-kurvaturdipolen

© 2022 Science X Network