Ett schema över ansträngd vriden dubbelskiktsgrafen (TDBG). Två tvålagers grafenlager när de roteras ovanpå varandra med en liten vinkel θ skapar stora hexagonala moiréceller. Den bruna linjen skisserar en sådan moirécell. Stam förvrider moirécellerna. Kredit:Sinha et al.
Bärkrökningen och Chern-talet är avgörande topologiska egenskaper av ett kvantmekaniskt ursprung som kännetecknar materials elektronvågsfunktion. Dessa två element spelar en mycket viktig roll för att bestämma egenskaperna hos specifika material.
Medan många studier har försökt fastställa hur Berry-kurvaturen och Chern-talet påverkar materialens egenskaper, kan det vara mycket svårt att upptäcka dem i en experimentell miljö. Vriden dubbelskiktsgrafen, ett material som består av två staplade tvåskiktsgrafenkristaller, är en särskilt lovande plattform för att manipulera Berry-kurvaturen och dalens Chern-tal av topologiska platta band och därmed studera deras effekter.
Forskare vid Tata Institute of Fundamental Research, Indian Institute of Technology och Jawaharlal Nehru Center for Advanced Scientific Research har undersökt de avstämbara egenskaperna hos vriden dubbelskiktsgrafen i mer än tre år. I deras senaste studie, presenterad i Nature Physics , kunde de direkt detektera en topologisk övergång i ett moiré-supergitter genom att kontrollera teckenförändringen i Berry-kurvaturdipolen.
Denna artikel bygger på Prof. Mandar Deshmukhs tidigare arbeten med fokus på vriden dubbelskiktsgrafen. I en av sina tidigare studier, till exempel, introducerade forskarna strategier för att upptäcka Berry-kurvaturen, som de sedan tillämpade i sina senaste experiment.
"Innan vi började arbeta med det här projektet undersökte Prof. Amit Agarwals grupp teoretiskt olika Hall-bidrag på grund av kvantmekaniska effekter," berättade Subhajit Sinha, en av forskarna som genomförde studien, till Phys.org. "På julafton 2020 skrev han till oss angående mätning av den icke-linjära Hall-effekten i våra prover. Ett av våra vridna dubbellagers grafenprover var kallt i en kryostat, så vi bestämde oss för att samla in mätningar på det och se om vi fick någonting. Kanske var några stjärnor i linje, för vi mätte verkligen någon signal!"
Efter att de validerat sina initiala observationer och mätningar genom att utföra flera korskontroller kunde teamet med hög grad av säkerhet fastställa att de faktiskt hade mätt den icke-linjära kvant-Hall-effekten i sitt vridna dubbellagers grafenprov. De utförde sedan andra analyser i samarbete med Prof. Amits forskargrupp för att visa att de direkt hade observerat en topologisk övergång.
I sina senaste experiment mätte Prof. Mandars grupp vid TIFR specifikt den olinjära Hall-spänningen i deras vridna dubbellagers grafenprov. Detta är en olinjär spänning som kan drivas av en vinkelrät elektrisk ström i planet i Hall-bar-mätningen.
Berry curvature dipole (BCD) av TDBG, indikerad med färg. Den mörklila färgen indikerar en negativ BCD, medan den ljusgula färgen indikerar en positiv BCD. Genom att öka storleken på det vinkelräta elektriska fältet kan vi korsa längs den streckade pilen för att upptäcka teckenförändringen av BCD. Teckenförändring av BCD sker på grund av en topologisk övergång. Kredit:Sinha et al.
"Vanligtvis utvecklas Hall-spänningen vinkelrätt mot strömflödet när ett externt magnetfält appliceras vinkelrätt mot provets plan." Sinha förklarade. "Intressant nog visade det banbrytande teoretiska arbetet av Sodemann och Fu att man också kan ha en Hall-spänning i frånvaro av ett magnetfält även i icke-magnetiska material på grund av topologiska band, och vi mätte denna spänning."
Kombinerad effekt av en bärkrökning som inte är noll och små mängder töjning i ett vridet dubbellagers grafensystem kan ge upphov till vad som kallas "Berry curvature dipole." Denna unika mätning genererar en olinjär Hall-spänning som skalas kvadratiskt med strömmen som appliceras på ett materialprov.
"Vi applicerade en lågfrekvent ström och mätte Hall-spänningen vid två gånger frekvensen av den applicerade strömmen för att detektera den olinjära Hall-spänningen," sa Sinha. "Sedan använde vi en skalningsanalys för att detektera en teckenförändring i Berry-kurvaturdipolen, vilket indikerar en topologisk fasövergång."
Topologiska fasövergångar är otroligt svåra att upptäcka experimentellt. Icke desto mindre har många teoretiska och experimentella studier nyligen antytt en övergång i topologin för banden av vriden dubbelskiktsgrafen. Det senaste arbetet av teamet erbjuder en direkt observation av denna fasövergång i en experimentell miljö.
"Med hjälp av transportmätningar upptäckte vi denna topologiska övergång direkt via en teckenförändring i Berry-kurvaturdipolen," förklarade Sinha. "Detta ger oss ett experimentellt handtag för att sondera bandets geometriska fysik och topologiska fasövergångar samtidigt."
Resultaten som samlats in av detta team av forskare kan ha mycket viktiga konsekvenser för studiet av topologiska fasövergångar i vriden dubbelskiktsgrafen. I framtiden kan de metoder de använde hjälpa till att upptäcka topologiska övergångar i andra material och system.
"En omedelbar framtida riktning för vårt arbete kan vara att använda vår teknik för att kartlägga fasövergången som en funktion av vridningsvinkel eller staplingsordning," tillade Sinha. "Dessutom hoppas vi att vår metod också kommer att emuleras i andra 2D- eller till och med 3D-material för att karakterisera liknande topologiska fasövergångar. I allmänhet växer forskningsintresset för olinjära Hall-effekter på grund av dess många fördelar, varav en är att undersöka bandgeometriska och topologiska egenskaper hos material. Vi måste vänta och se de intressanta vägar som icke-linjära effekter kan komma åt när de utvecklas." + Utforska vidare
© 2022 Science X Network
