Un schéma de graphène bicouche torsadé tendu (TDBG). Deux couches de graphène bicouche lorsqu'elles sont tournées l'une sur l'autre d'un petit angle θ créent de grandes cellules de moiré hexagonales. La ligne brune décrit une de ces cellules moirées. La contrainte déforme les cellules moirées. Crédit :Sinha et al.
La courbure de Berry et le nombre de Chern sont des qualités topologiques cruciales d'origine mécanique quantique caractérisant la fonction d'onde électronique des matériaux. Ces deux éléments jouent un rôle très important dans la détermination des propriétés de matériaux spécifiques.
Alors que de nombreuses études ont tenté de déterminer l'impact de la courbure de Berry et du nombre de Chern sur les propriétés des matériaux, leur détection dans un cadre expérimental peut être très difficile. Le graphène double bicouche torsadé, un matériau constitué de deux cristaux de graphène bicouche empilés, est une plate-forme particulièrement prometteuse pour manipuler la courbure de Berry et les nombres de vallée de Chern des bandes plates topologiques et ainsi étudier leurs effets.
Des chercheurs du Tata Institute of Fundamental Research, de l'Indian Institute of Technology et du Jawaharlal Nehru Center for Advanced Scientific Research examinent les propriétés accordables du graphène bicouche torsadé depuis plus de trois ans. Dans leur étude la plus récente, publiée dans Nature Physics , ils ont pu détecter directement une transition topologique dans un super-réseau moiré en contrôlant le changement de signe dans le dipôle de courbure de Berry.
Cet article s'appuie sur les travaux antérieurs du professeur Mandar Deshmukh portant sur le graphène bicouche torsadé. Dans l'une de leurs études antérieures, par exemple, les chercheurs ont introduit des stratégies pour détecter la courbure de Berry, qu'ils ont ensuite appliquées dans leurs expériences récentes.
"Avant de commencer à travailler sur ce projet, le groupe du professeur Amit Agarwal examinait théoriquement différentes contributions de Hall dues aux effets de la mécanique quantique", a déclaré Subhajit Sinha, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, à Phys.org. "La veille de Noël 2020, il nous a écrit concernant la mesure de l'effet Hall non linéaire dans nos échantillons. L'un de nos échantillons de graphène bicouche torsadé était froid dans un cryostat, nous avons donc décidé de collecter des mesures dessus et de voir si nous avons obtenu Peut-être que certaines étoiles étaient alignées, car nous avons effectivement mesuré un signal !"
Après avoir validé leurs observations et mesures initiales en effectuant plusieurs recoupements, l'équipe a pu déterminer avec un haut degré de certitude qu'elle avait en fait mesuré l'effet Hall quantique non linéaire dans leur échantillon de graphène bicouche torsadé. Ils ont ensuite effectué d'autres analyses en collaboration avec le groupe de recherche du professeur Amit pour démontrer qu'ils avaient observé directement une transition topologique.
Dans leurs expériences récentes, le groupe du professeur Mandar au TIFR a spécifiquement mesuré la tension Hall non linéaire dans leur échantillon de graphène bicouche torsadé. Il s'agit d'une tension non linéaire qui peut être entraînée par un courant électrique perpendiculaire dans le plan dans la mesure Hall-bar.
Le dipôle à courbure de Berry (BCD) de TDBG, indiqué par la couleur. La couleur violet foncé indique un BCD négatif, tandis que la couleur jaune vif indique un BCD positif. En augmentant l'amplitude du champ électrique perpendiculaire, nous pouvons traverser le long de la flèche en pointillé pour détecter le changement de signe du BCD. Le changement de signe de BCD se produit en raison d'une transition topologique. Crédit :Sinha et al.
"Habituellement, la tension Hall se développe perpendiculairement au flux de courant lorsqu'un champ magnétique externe est appliqué perpendiculairement au plan de l'échantillon." Sinha a expliqué. "Il est intéressant de noter que les travaux théoriques pionniers de Sodemann et Fu ont montré que l'on peut également avoir une tension de Hall en l'absence de champ magnétique même dans des matériaux non magnétiques en raison des bandes topologiques, et nous avons mesuré cette tension."
L'effet combiné d'une courbure de Berry non nulle et de petites quantités de déformation dans le système de graphène bicouche torsadé peut donner naissance à ce que l'on appelle le «dipôle de courbure de Berry». Cette mesure unique génère une tension Hall non linéaire qui évolue de manière quadratique avec le courant appliqué à un échantillon de matériau.
"Nous avons appliqué un courant basse fréquence et mesuré la tension Hall à deux fois la fréquence du courant appliqué pour détecter la tension Hall non linéaire", a déclaré Sinha. "Ensuite, nous avons utilisé une analyse d'échelle pour détecter un changement de signe dans le dipôle de courbure de Berry, indiquant une transition de phase topologique."
Les transitions de phase topologiques sont incroyablement difficiles à détecter expérimentalement. Néanmoins, de nombreuses études théoriques et expérimentales ont récemment laissé entrevoir une transition dans la topologie des bandes de graphène double bicouche torsadée. Les travaux récents de l'équipe proposent une observation directe de cette transition de phase dans un cadre expérimental.
"En utilisant des mesures de transport, nous avons détecté cette transition topologique directement via un changement de signe dans le dipôle de courbure de Berry", a expliqué Sinha. "Cela nous donne une poignée expérimentale pour sonder simultanément la physique géométrique des bandes et les transitions de phase topologiques."
Les résultats recueillis par cette équipe de chercheurs pourraient avoir des implications très importantes pour l'étude des transitions de phase topologiques dans le graphène bicouche torsadé. À l'avenir, les méthodes qu'ils ont employées peuvent aider à détecter les transitions topologiques dans d'autres matériaux et systèmes.
"Une direction future immédiate pour notre travail peut être d'utiliser notre technique pour cartographier la transition de phase en fonction de l'angle de torsion ou de l'ordre d'empilement", a ajouté Sinha. "De plus, nous espérons que notre méthode sera également émulée dans d'autres matériaux 2D ou même 3D pour caractériser des transitions de phase topologiques similaires. En général, l'intérêt de la recherche pour les effets Hall non linéaires augmente en raison de ses nombreux avantages, dont bande les propriétés géométriques et topologiques des matériaux. Nous devrons attendre et voir les avenues intéressantes auxquelles les effets non linéaires peuvent accéder, au fur et à mesure qu'ils se déroulent.
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