Au cours des dernières années, de nombreux physiciens et scientifiques des matériaux du monde entier ont étudié les propriétés et les caractéristiques du graphène bicouche torsadé à angle magique (MATBG). Le MATBG est un matériau fortement corrélé qui a été réalisé expérimentalement pour la première fois en 2018. Ce matériau unique abrite un large éventail de phases hautement corrélées, y compris les métaux, semi-métaux, Isolateurs Chern, états de hall anormaux quantiques et, peut-être le plus intéressant, supraconductivité.

Chercheurs de l'Université de Californie, Berkeley (UC Berkeley) a récemment mené une étude sur les effets de l'hétérocontrainte uniaxiale sur le diagramme de phase d'interaction de MATBH. Leurs découvertes, Publié dans Lettres d'examen physique , suggèrent que de petites valeurs de déformation ont conduit à une transition de phase à température nulle entre deux états, à savoir l'isolant cohérent à intervalles de Kramers à rupture de symétrie et les phases semi-métalliques nématiques.

"Un objectif clé de notre domaine est de comprendre l'origine de la supraconductivité dans MATBG et d'étoffer le mécanisme responsable, " Daniel Parker et Tomo Soejima, deux des chercheurs qui ont mené l'étude, a dit à Phys.org par e-mail. "Toutefois, il y a un casse-tête important du diagramme de phase MATBG, ce qui complique toute tentative de deviner la nature de la supraconductivité, à savoir à la neutralité de charge, certaines expériences trouvent un état semi-métallique, tandis que d'autres voient des isolants. Notre travail propose qu'une transition de phase particulière puisse résoudre cet écart. »

Toutes les actions et changements dans MATBG se produisent dans ce qu'on appelle ses bandes actives. Ces bandes comprennent 2 bandes Chern, fois 2 vallées et fois 2 tours, pour un total de 8. Les scientifiques peuvent facilement ajuster expérimentalement le nombre d'électrons dans le système, ce qui leur permet à leur tour d'accorder ces bandes de tout vide à tout plein.

« Par analogie, on peut penser à cela comme avoir 8 seaux qui peuvent être remplis d'eau, " expliqua Parker. " Pour une quantité d'eau donnée, le MATBG en choisit un, et un seul, façon de distribuer l'eau. Par exemple, s'il y a deux seaux d'eau, alors MATBG pourrait choisir de remplir 2 seaux à ras bord, ou pour remplir 4 seaux chacun à moitié. La phase du système est étiquetée par deux choses :1. comment l'eau (électrons) est distribuée dans les seaux (bandes) et 2. combien est-il difficile d'ajouter une goutte d'eau de plus (c'est-à-dire, si le système est isolant ou conducteur).

Alors que la nature isolante ou conductrice d'un système est assez facile à déduire expérimentalement, la distribution des électrons dans les bandes de MATBH beaucoup plus difficile à déterminer. Dans leur papier, Parker, Soejima et leurs collègues voulaient explorer ce qui se passe lorsque le nombre d'électrons est tel qu'il annule la charge des atomes de carbone (connu sous le nom de point de neutralité de charge) ou, en considérant l'analogie des seaux d'eau, si les seaux sont à moitié remplis d'eau.

Bien que certaines études antérieures examinant cela aient observé des états isolants (c'est-à-dire, où il est difficile d'ajouter "une goutte de plus"), d'autres ont plutôt observé des métaux ou des états semi-métalliques. D'un point de vue théorique, des travaux antérieurs de Nick Bultinck et de ses collaborateurs suggèrent que l'état isolant pourrait être un état cohérent à intervalles de Kramers (KIVC). Pour expliquer cela en utilisant l'analogie du seau d'eau, ce serait comme si tous les seaux étaient remplis à moitié, mais ils étaient étrangement jumelés avec un partenaire rempli uniquement sur la moitié gauche et l'autre rempli uniquement sur la droite.

"D'autres travaux de Bultinck et de ses collègues ont montré que cet état est une origine possible de la supraconductivité dans MATBG, " Parker et Soejima ont déclaré. " La phase semi-métallique alternative est beaucoup plus conventionnelle, où la moitié inférieure de chaque seau est remplie. La principale question à laquelle nous avons cherché à répondre était pourquoi, lorsque la théorie précédente prédisait un état KIVC, on pourrait observer le semi-métal à la place."

Une raison possible des divergences dans les observations passées est que différents appareils ont des hamiltoniens légèrement différents. Certaines équipes ont pu utiliser un modèle simplifié de MATBG, introduit pour la première fois par Bistrizter et McDonald, pour étudier les propriétés des échantillons MATBG.

Des études récentes, cependant, révélé que dans sa forme originale, le modèle dit BM, ne capture pas le tunneling non local présent dans DFT, alignement avec le substrat hBN, et renormalisation de la structure de bande des fermions libres, et d'autres effets. Parker, Soejima et leurs collègues ont ainsi voulu déterminer quel effet pouvait être considéré pour expliquer l'écart observé.

"Bultinck soupçonnait astucieusement que la souche pourrait être le coupable responsable de cet écart, " Parker et Soejima ont déclaré. « Alors qu'un moyen réaliste de modéliser la contrainte dans MATBG avait déjà été proposé et son effet sur la structure de la bande sans interaction (c'est-à-dire, solution de l'hamiltonien sans interaction de Coulomb) avait été étudiée, son effet sur le diagramme de phase en présence d'interaction n'avait pas encore été étudié."

Pour tester l'hypothèse introduite par Bultinck, les chercheurs ont utilisé deux techniques numériques complémentaires, connu sous le nom de Hartree-Fock auto-cohérent (HF) et de groupe de renormalisation à matrice de densité (DMRG). Hartree-Fock est une approximation standard qui intègre les effets les plus importants des interactions électron-électron. Cette approximation est très flexible; Donc, il permet aux chercheurs d'examiner de grandes tailles de système de 24 x 24 cellules.

« Étant donné que HF est une approximation, il y a toujours la possibilité effrayante qu'il produise une "fausse" phase, " Parker et Soejima ont déclaré "Nous avons donc utilisé DMRG pour exclure cela. DMRG est une technique numérique impartiale qui, avec une puissance de calcul suffisante, déterminera la vraie phase du système. L'utiliser pour des systèmes 2D avec des interactions à longue portée comme nous l'avons ici n'est pas trivial, et nécessite des techniques spéciales que nous avons développées dans un article précédent."

Par rapport à l'approximation HF, DMRG est plus lent, plus cher et ne peut être utilisé que pour examiner de petits systèmes. Pour obtenir des résultats fiables, Parker, Soejima et leurs collègues ont donc décidé d'utiliser HF et DMRG en tandem, car HF leur a permis de cartographier l'ensemble du diagramme de phase et DMRG pour vérifier que l'approximation HF était correcte.

"La principale découverte de notre travail est que de petites quantités d'hétérosouche (précisément dans la plage ε∼0,1%-0,2%) peuvent détruire la phase KIVC et la remplacer par un semi-métal, " Parker et Soejima ont déclaré. "Toute feuille de graphène fabriquée en laboratoire est toujours soumise à un certain stress, qui le comprime dans un sens tout en l'étirant dans l'autre. Dans MATBG, on a la possibilité supplémentaire d'hétérostrain, où la couche supérieure est comprimée le long de l'axe d'étirement de la couche inférieure, et vice versa."

Autrefois, certains chercheurs ont mené des expériences mesurant l'hétérosouche présente dans les échantillons de MATBG et ont découvert qu'elle était minuscule, compris entre 0,1% et 0,7%. Quand Parker, Soejima, et leurs collègues ont commencé à explorer ce sujet, ils étaient assez sceptiques sur le fait qu'une si petite quantité de contrainte aurait des effets particuliers, ainsi leurs résultats les ont surpris.

"Une implication de nos découvertes est que la contrainte est un paramètre important à caractériser expérimentalement, " Parker et Soejima ont déclaré. "Les expérimentateurs qui fabriquent et mesurent le graphène bicouche torsadé font un travail incroyable en jonglant et en contrôlant de nombreuses sources d'erreurs. Éliminer une si petite quantité de tension est probablement terriblement délicat, mais nous pensons que quelqu'un trouvera un moyen de le faire tôt ou tard."

Globalement, les résultats suggèrent que la contrainte est un « bouton tournant » important dans MATBG car elle peut provoquer des transitions de phase, il doit donc être mesuré et caractérisé chaque fois que possible. Cette observation pourrait avoir des implications importantes pour les futures recherches en science des matériaux, car cela pourrait aider à améliorer les performances du graphène bicouche torsadé.

"Notre prochain objectif est de comprendre l'origine de la supraconductivité dans le graphène à angle magique, " Parker et Soejima ont dit. " Une proposition intrigante est qu'il peut être médié par des quasiparticules appelées Skyrmions au lieu des phonons standard. Si c'est bien le cas, nous espérons le confirmer en étendant les outils utilisés dans ce travail."

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