Forskare från ICFO, Princeton och NIMS har upptäckt en fullständig sekvens av symmetribrottade Chern-isolatorer som induceras av starka korrelationer i magisk vinkelgrafen. Studien har publicerats i Naturfysik .

En Chern-isolator är en 2D-isolator som spontant bryter tidsomkastningssymmetri och är värd för ledande kirala kanttillstånd. Studiet av Chern-isolatorer under det senaste decenniet har fördjupat förståelsen av kondenserad materia och kan leda till utvecklingen av elektronik med låg strömförbrukning. Magisk vinkel vriden dubbelskiktsgrafen (MATBG) har nyligen dykt upp som en rik plattform för att utforska starka korrelationer, supraledning och magnetism och bandtopologi.

I en nyligen publicerad studie publicerad i Naturfysik , ett team av forskare inklusive ICFO-forskaren Ipsita Das, Xiaobo Lu (tidigare postdoc vid ICFO), ledd av ICFO Prof. Dmitri Efetov och kollegor från Princeton (Jonah Herzog-Arbeitman, Zhida Song och B. Andrei Bernevig) och National Institute for Material Sciences (Kenji Watanabe och Takashi Taniguchi), har rapporterat en fullständig sekvens av symmetribrottade Chern-isolatorer inom flatbanden av magisk vinkelgrafen.

I motsats till traditionella Chern-isolatorer, som vanligtvis uppnås i magnetiserade topologiska isolatorer, de nyupptäckta Chern-isolatorerna i magisk vinkelgrafen, som endast består av icke-magnetiska kolatomer, härrör från stark korrelationsinducerad symmetribrytning. I deras experiment, de använde magneto-transportteknik för att mäta både longitudinell resistans och hallresistans. De lyckades observera Chern-isolatorer med en magisk sekvens av kvantiserad Hall-konduktans C =±1, ±2, ±3, ±4 som kärnor från heltalsfyllningar i moaréenhetscellen =±3, ±2, ±1, 0 motsvarande. Den magiska sekvensen och överensstämmelsen mellan Chern-tal och fyllningsfaktorer tyder på att dessa tillstånd drivs direkt av elektroniska interaktioner som specifikt bryter tids-omkastningssymmetri i systemet.

Vidare, de studerade kvantmagnetoscillationer i de ännu outforskade högre energidispersiva banden av magisk vinkeldubbelskiktsgrafen. I ett magnetfält, energispektrat visar en rik sekvens av plankorsningar som direkt kommer från den unika Rashba-liknande spridningen av banden. Ytterligare analys av landau-nivåkorsningarna gjorde det möjligt för forskarna att ge begränsningar för parametrarna w0 och w1 för Bistritzer-MacDonald MATBG Hamiltonian.

Studien ger direkta insikter i den komplexa karaktären av symmetribrott i MATBG och möjliggör kvantitativa tester av de föreslagna mikroskopiska scenarierna för dess elektroniska faser. Ipsita Das, forskare vid ICFO och första författare till studien säger, "Vi blev ganska häpna när vi såg rikedomen i dessa nya topologiska tillstånd för första gången."

Dr Xiaobo Lu, tidigare ICFO postdoc och medförfattare till denna studie, säger, "observationen av icke-trivial topologi i supraledande magisk vinkelgrafen är spännande. Integreringen av stark korrelation, supraledning och Chern isolerande faser i magisk vinkel dubbellagers grafen kan leda till nya forskningsvägar i framtiden."

Prof. vid ICFO Dmitri Efetov säger, "Sådana prestationer markerar nästa steg i förståelsen av de fantastiska egenskaperna hos vriden dubbelskiktsgrafen, lägger nu till topologi som en av dess definierande egenskaper."