En 2018, il a été découvert que deux couches de graphène tordues l'une par rapport à l'autre par un angle « magique » présentent une variété de phases quantiques intéressantes, y compris la supraconductivité, magnétisme et comportements isolants. Maintenant, une équipe de chercheurs du Weizmann Institute of Science dirigée par le professeur Shahal Ilani du département de physique de la matière condensée, en collaboration avec le groupe du Prof. Pablo Jarillo-Herrero au MIT, ont découvert que ces phases quantiques descendent d'un "état parent" à haute énergie auparavant inconnu avec une rupture de symétrie inhabituelle.

Le graphène est un cristal plat de carbone, juste un atome d'épaisseur. Lorsque deux feuilles de ce matériau sont superposées, désaligné à petit angle, un motif de " moiré " périodique apparaît. Ce modèle fournit un réseau artificiel pour les électrons dans le matériau. Dans ce système bicouche torsadé, les électrons se présentent sous quatre "saveurs" :" combiné avec deux "vallées" qui proviennent du réseau hexagonal du graphène. En conséquence, chaque site moiré peut contenir jusqu'à quatre électrons, un de chaque saveur.

Alors que les chercheurs savaient déjà que le système se comporte comme un simple isolant lorsque tous les sites de moiré sont complètement pleins (quatre électrons par site), Jarillo-Herrero et ses collègues ont découvert à leur grande surprise, en 2018, qu'à un angle "magique" spécifique, le système torsadé devient également isolant à d'autres remplissages entiers (deux ou trois électrons par site moiré). Ce comportement, exposé par le graphène bicouche torsadé à angle magique (MATBG), ne peut pas être expliqué par la physique des particules simples, et est souvent décrit comme un « isolateur de Mott corrélé ». Plus surprenante encore fut la découverte d'une supraconductivité exotique à proximité de ces obturations. Ces découvertes ont conduit à une vague d'activités de recherche visant à répondre à la grande question :quelle est la nature des nouveaux états exotiques découverts dans MATBG et des systèmes tordus similaires ?

Imagerie d'électrons de graphène à angle magique avec un détecteur à nanotubes de carbone

L'équipe Weizmann s'est attachée à comprendre comment les électrons en interaction se comportent dans MATBG à l'aide d'un type unique de microscope qui utilise un transistor à un électron à nanotube de carbone, positionné au bord d'un porte-à-faux de sonde de balayage. Cet instrument peut imager, dans l'espace réel, le potentiel électrique produit par les électrons dans un matériau d'une extrême sensibilité.

"En utilisant cet outil, nous pouvions imaginer pour la première fois la « compressibilité » des électrons dans ce système, c'est-à-dire combien il est difficile de presser des électrons supplémentaires dans un point donné de l'espace, " explique Ilani. " En gros, la compressibilité des électrons reflète la phase dans laquelle ils se trouvent :Dans un isolant, les électrons sont incompressibles, alors que dans un métal, ils sont hautement compressibles."

La compressibilité révèle également la « masse effective » des électrons. Par exemple, dans le graphène ordinaire, les électrons sont extrêmement "légers, " et se comportent ainsi comme des particules indépendantes qui ignorent pratiquement la présence de leurs congénères électrons. Dans le graphène à angle magique, d'autre part, les électrons sont considérés comme extrêmement "lourds" et leur comportement est donc dominé par les interactions avec d'autres électrons - un fait que de nombreux chercheurs attribuent aux phases exotiques trouvées dans ce matériau. L'équipe de Weizmann s'est donc attendue à ce que la compressibilité montre un schéma très simple en fonction du remplissage électronique :l'échange entre un métal hautement compressible avec des électrons lourds et des isolants de Mott incompressibles qui apparaissent à chaque remplissage entier du réseau moiré.

A leur grande surprise, ils ont observé un schéma très différent. Au lieu d'une transition symétrique du métal à l'isolant et de retour au métal, ils ont observé une forte, saut asymétrique dans la compressibilité électronique au voisinage des remplissages entiers.

« Cela signifie que la nature des porteurs avant et après cette transition est sensiblement différente, " déclare l'auteur principal de l'étude, Uri Zondiner. " Avant la transition, les porteurs étaient extrêmement lourds, et après cela, ils semblent être extrêmement légers, rappelle les « électrons de Dirac » présents dans le graphène. »

Le même comportement a été observé à proximité de chaque remplissage d'entier, où les porteurs lourds ont brusquement cédé la place et des électrons légers de type Dirac ont réapparu.

Mais comment comprendre un changement aussi brutal dans la nature des porteurs ? Pour répondre à cette question, l'équipe a travaillé avec les théoriciens de Weizmann Profs. Erez Berg, Yuval Oreg et Ady Stern, et Dr Raquel Quiroez; ainsi que le professeur Felix von-Oppen de la Freie Universität Berlin. Ils ont construit un modèle simple, révélant que les électrons remplissent les bandes d'énergie dans MATBG d'une manière "Sisyphe" très inhabituelle:lorsque les électrons commencent à se remplir à partir du "point de Dirac" (le point où les bandes de valence et de conduction se touchent), ils se comportent normalement, étant répartis également entre les quatre saveurs possibles. "Toutefois, lorsque le remplissage se rapproche de celui d'un nombre entier d'électrons par site de superréseau moiré, une transition de phase dramatique se produit, " explique l'auteur principal de l'étude, Asaf Rozen. " Dans cette transition, une saveur "saisit" tous les porteurs de ses pairs, les "réinitialiser" au point de Dirac sans charge."

"Laissé sans électrons, les trois saveurs restantes doivent recommencer à se remplir à partir de zéro. Ils le font jusqu'à ce qu'une autre transition de phase se produise, où cette fois l'une des trois saveurs restantes s'empare de tous les supports de ses pairs, les repoussant à la case départ. Les électrons doivent donc gravir une montagne comme Sisyphe, étant constamment repoussés au point de départ où ils reviennent au comportement des électrons légers de Dirac, " 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, En réalité, 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.

"Par exemple, it is well known that stronger superconductivity arises when electrons are heavier. Our experiment, cependant, 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 La nature 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?

L'étude, "Cascade of phase transitions and Dirac revivals in magic angle graphene, " was published June 11 in the journal La nature .