2018 upptäcktes det att två lager grafen vridna i förhållande till varandra med en "magisk" vinkel visar en mängd intressanta kvantfaser, inklusive supraledning, magnetism och isolerande beteenden. Nu, ett team av forskare från Weizmann Institute of Science under ledning av professor Shahal Ilani från avdelningen för fysik för kondenserad materia, i samarbete med Prof. Pablo Jarillo-Herreros grupp vid MIT, har upptäckt att dessa kvantfaser härstammar från ett tidigare okänt högenergi-"modertillstånd" med ett ovanligt symmetribrott.

Grafen är en platt kristall av kol, bara en atom tjock. När två ark av detta material placeras ovanpå varandra, felinriktad i liten vinkel, ett periodiskt "moiré"-mönster visas. Detta mönster ger ett konstgjort gitter för elektronerna i materialet. I detta tvinnade dubbelskiktssystem finns elektronerna i fyra "smaker":snurrar "upp" eller "nedåt, " kombinerat med två "dalar" som har sitt ursprung i grafenens hexagonala gitter. Som ett resultat, varje moiré-plats kan hålla upp till fyra elektroner, en av varje smak.

Medan forskare redan visste att systemet beter sig som en enkel isolator när alla moiré-platser är helt fulla (fyra elektroner per plats), Jarillo-Herrero och hans kollegor upptäckte till sin förvåning, under 2018, det i en specifik "magisk" vinkel, det vridna systemet blir också isolerande vid andra heltalsfyllningar (två eller tre elektroner per moiré-plats). Detta beteende, uppvisad av magic-angle twisted bilayer graphene (MATBG), kan inte förklaras med en partikelfysik, och beskrivs ofta som en "korrelerad Mott-isolator." Ännu mer överraskande var upptäckten av exotisk supraledning nära dessa fyllningar. Dessa fynd ledde till en uppsjö av forskningsaktiviteter som syftade till att svara på den stora frågan:vad är karaktären hos de nya exotiska tillstånd som upptäckts i MATBG och liknande skruvade system?

Avbildar magiska vinkelgrafenelektroner med en kolnanorörsdetektor

Weizmann-teamet satte sig för att förstå hur interagerande elektroner beter sig i MATBG med hjälp av en unik typ av mikroskop som använder en kolnanorör enelektrontransistor, placerad vid kanten av en scanningssond. Detta instrument kan avbilda, i verkliga rymden, den elektriska potential som produceras av elektroner i ett material med extrem känslighet.

"Med detta verktyg, vi skulle för första gången kunna avbilda "kompressibiliteten" hos elektronerna i detta system - det vill säga, hur svårt det är att klämma in ytterligare elektroner i en given punkt i rymden, " förklarar Ilani. "I grova drag, elektronernas kompressibilitet återspeglar fasen de befinner sig i:I en isolator, elektroner är inkompressibla, medan de i en metall är mycket komprimerbara."

Kompressibilitet avslöjar också den "effektiva massan" av elektroner. Till exempel, i vanlig grafen är elektronerna extremt "lätta, " och därmed beter sig som oberoende partiklar som praktiskt taget ignorerar närvaron av sina andra elektroner. I magisk vinkelgrafen, å andra sidan, elektroner tros vara extremt "tunga" och deras beteende domineras därför av interaktioner med andra elektroner – ett faktum som många forskare tillskriver de exotiska faser som finns i detta material. Weizmann-teamet förväntade sig därför att kompressibiliteten skulle visa ett mycket enkelt mönster som en funktion av elektronfyllning:utbyte mellan en mycket komprimerbar metall med tunga elektroner och inkompressibla Mott-isolatorer som visas vid varje heltalsmoiré-gitterfyllning.

Till deras förvåning, de observerade ett helt annat mönster. Istället för en symmetrisk övergång från metall till isolator och tillbaka till metall, de observerade en skarp, asymmetriskt hopp i den elektroniska kompressibiliteten nära heltalsfyllningarna.

"Detta betyder att arten av transportörer före och efter denna övergång är markant olika, " säger studiens huvudförfattare Uri Zondiner. "Före övergången är bärarna extremt tunga, och efter det verkar de vara extremt lätta, påminner om "Dirac-elektronerna" som finns i grafen."

Samma beteende sågs upprepas nära varje heltalsfyllning, där tunga bärare plötsligt gav vika och lätta Dirac-liknande elektroner återuppstod.

Men hur kan en så abrupt förändring av bärarnas natur förstås? För att ta itu med denna fråga, teamet arbetade tillsammans med Weizmann-teoretiker Profs. Erez Berg, Yuval Oreg och Ady Stern, och Dr. Raquel Quiroez; samt prof. Felix von-Oppen vid Freie Universität Berlin. De byggde en enkel modell, avslöjar att elektroner fyller energibanden i MATBG på ett högst ovanligt "sisyfiskt" sätt:när elektroner börjar fyllas från "Dirac-punkten" (punkten där valens- och ledningsbanden precis vidrör varandra), de beter sig normalt, fördelas lika mellan de fyra möjliga smakerna. "Dock, när fyllningen närmar sig ett helt antal elektroner per moiré-supergitterplats, en dramatisk fasövergång inträffar, " förklarar studiens huvudförfattare Asaf Rozen. "I denna övergång, en smak "griper" alla bärare från sina kamrater, "återställa" dem till den laddningsneutrala Dirac-punkten."

"Vänster utan elektroner, de tre återstående smakerna måste börja fyllas på igen från grunden. De gör det tills en annan fasövergång inträffar, där den här gången en av de återstående tre smakerna griper alla bärare från sina kamrater, trycker tillbaka dem till ruta ett. Elektroner behöver alltså bestiga ett berg som Sisyfos, being constantly pushed back to the starting point in which they revert to the behavior of light Dirac electrons, " says Rozen. While this system is in a highly symmetric state at low carrier fillings, in which all the electronic flavors are equally populated, with further filling it experiences a cascade of symmetry-breaking phase transitions that repeatedly reduce its symmetry.

A 'parent state'

"What is most surprising is that the phase transitions and Dirac revivals that we discovered appear at temperatures well above the onset of the superconducting and correlated insulating states observed so far, " says Ilani. "This indicates that the broken symmetry state we have seen is, faktiskt, the 'parent state' out of which the more fragile superconducting and correlated insulating ground states emerge."

The peculiar way in which the symmetry is broken has important implications for the nature of the insulating and superconducting states in this twisted system.

"Till exempel, it is well known that stronger superconductivity arises when electrons are heavier. Our experiment, dock, demonstrates the exact opposite:superconductivity appears in this magic-angle graphene system after a phase transition has revived the light Dirac electrons. How this happens, and what it tells us about the nature of superconductivity in this system compared to other more conventional forms of superconductivity remain interesting open questions, " says Zondiner.

A similar cascade of phase transitions was reported in another paper published in the same Natur issue by Prof. Ali Yazdani and colleagues at Princeton University. "The Princeton team studied MATBG using a completely different experimental technique, based on a highly-sensitive scanning tunneling microscope, so it is very reassuring to see that complementary techniques lead to analogous observations, " says Ilani.

The Weizmann and MIT researchers say they will now use their scanning nanotube single-electron-transistor platform to answer these and other basic questions about electrons in various twisted-layer systems:What is the relationship between the compressibility of electrons and their apparent transport properties? What is the nature of the correlated states that form in these systems at low temperatures? And what are the fundamental quasiparticles that make up these states?

Studien, "Cascade of phase transitions and Dirac revivals in magic angle graphene, " was published June 11 in the journal Natur .