Imaginez empiler deux feuilles de graphène - la forme 2D du graphite, ou le crayon à portée de main - dans lequel les atomes de carbone forment un réseau hexagonal et tordent la feuille supérieure hors de l'alignement avec la feuille ci-dessous, donnant un arrangement périodique d'atomes nommé motif moiré. Savez-vous qu'à un angle de torsion d'environ 1° - les gens l'appellent maintenant l'angle « magique » - le système pourrait présenter des comportements très exotiques tels que devenir un isolant, un métal ou même un supraconducteur ? Pouvez-vous imaginer le même atome de carbone dans votre crayon (graphite) devenir un supraconducteur lorsqu'il est tordu à l'angle magique ? Il a en effet fait comme les gens l'ont découvert en 2018, mais pourquoi? Une équipe de chercheurs du Département de physique de l'Université de Hong Kong (HKU) et leurs collaborateurs ont réussi à découvrir un véritable isolant topologique de Mott dans un modèle de graphène bicouche torsadé. Les résultats ont été publiés dans une revue renommée Communication Nature .

Les raisons derrière ces phénomènes passionnants sont les frontières de la physique de la matière condensée et de la recherche sur les matériaux quantiques, à la fois expérimental, théorique et informatique, généralement sous forme combinée. La compréhension de base jusqu'à présent est qu'une fois que les deux feuilles de graphène forment des motifs moirés aux angles magiques, les bandes d'énergie des électrons dans le graphène bicouche torsadé deviennent presque plates, en d'autres termes, la vitesse des électrons sur le réseau devient considérablement plus faible que d'habitude (par rapport à celle du graphène ou du graphite monocouche - notre crayon), Donc, la densité des électrons pour cette énergie spécifique est extrêmement grande et les électrons peuvent interagir fortement les uns avec les autres, donnant lieu à de nombreux états inattendus, par exemple., le supraconducteur, effet Hall quantique.

Par conséquent, le comportement de l'électron est dominé par les interactions répulsives mutuelles (Coulomb), ce qui conduit à l'émergence des phases exotiques discutées ci-dessus qui n'existent pas dans des couches simples de graphène ou de notre crayon. A basse température (inférieure à 10 Kelvin), lorsque le nombre d'électrons est accordé pour remplir des degrés de liberté entiers des bandes plates, cela signifie que certaines de ces bandes sont entièrement occupées tout en laissant les autres entièrement vides, le système formerait alors une phase électriquement isolante. De plus, lorsque le nombre d'électrons s'écarte des remplissages entiers, le système devient soit un métal (à faible résistivité électrique) soit un supraconducteur (résistance nulle).

Les phénomènes du graphène bicouche torsadé à angle magique sont riches et profonds, et les physiciens du monde entier s'efforcent maintenant de construire des modèles microscopiques appropriés et de trouver des méthodologies de calcul puissantes pour capturer les propriétés mystérieuses de ces modèles. Récemment, Dr BinBin Chen et Dr Zi Yang Meng du Département de physique, HKU, en collaboration avec des institutions chinoises et américaines, réussi à le faire avec des progrès substantiels. Ils ont démystifié le diagramme de phase d'un modèle avec une densité spécifique d'électrons et ont identifié l'état Hall anormal quantique observé expérimentalement, qui est un nouvel état quantique avec un courant de bord sans dissipation et qui promet d'être utilisé comme composant de base de vos gadgets électroniques quotidiens, par exemple. ordinateur, téléphone intelligent.

Effet Hall anormal quantique dans un modèle de graphène bicouche torsadé efficace

Les chercheurs portent une attention particulière au remplissage entier ν=3 du graphène bicouche torsadé à angle magique, puisque dans le même cas de remplissage, l'expérience montre que dans l'alignement du substrat de nitrure de bore hexagonal, les électrons présentent une conductance Hall quantifiée σxy=e2/h sans exercer de champ magnétique, ce qu'on appelle l'état Hall anormal quantique (QAH). L'état QAH est un état topologique intéressant avec le volume restant isolant et le bord conducteur de courant électrique sans dissipation ! Jusqu'à maintenant, le mécanisme d'un tel état QAH est toujours en débat. Dans le travail, les chercheurs montrent qu'un tel effet peut être réalisé dans un modèle de réseau de graphène bicouche torsadé dans la limite de couplage fort, et interpréter les résultats en termes de phase d'isolant de Mott topologique.

Spécifiquement, les chercheurs présentent leur étude théorique sur le mécanisme du QAH induit par les interactions coulombiennes projetées. En utilisant des simulations approfondies de groupe de renormalisation de matrice de densité sur le modèle de réseau en interaction, ils identifient une phase QAH de conductance Hall de σxy=e2/h , qui est séparé d'une phase d'onde de densité de charge isolante (rayure) par une transition de phase quantique du premier ordre à c 0,12. Pour calculer la conductance Hall dans la phase QAH, ils suivent en fait l'expérience gedanken de Laughlin. C'est-à-dire, en insérant un flux φ lentement de 0 à 2π à travers le trou du cylindre, nous observons exactement qu'un électron est pompé du bord gauche vers la droite, correspondant à la conductance Hall quantifiée de σxy=e2/h. Ce travail aborde la question actuellement populaire sur l'origine du QAH dans le graphène bicouche torsadé à ν=3 remplissage.

Le premier exemple d'isolant de Mott topologique

L'état QAH découvert à partir du calcul du modèle provient uniquement des propriétés uniques de l'interaction de Coulomb dans le système de graphène bicouche torsadé à angle magique. Et c'est le premier exemple d'un tel état quantique topologique de la matière basé sur l'interaction qui a été découvert sans ambiguïté. L'impact d'une telle découverte dépasse même le domaine du graphène bicouche tordu à angle magique et a répondu à une proposition dans l'état topologique générique de la matière il y a une décennie.

L'un des examinateurs, Dr Nick Bultinck, un théoricien de la matière condensée de l'Université d'Oxford, a donné une note élevée au travail et a déclaré :« Dans son article fondateur, Haldane a montré que l'on n'a pas besoin d'un champ magnétique pour que les électrons occupent des états étendus topologiquement non triviaux qui répondent à l'insertion de flux adiabatique de Laughlin en produisant un courant de Hall quantifié. Les résultats de ce travail montrent que l'on n'a même pas besoin d'un terme d'énergie cinétique dans l'hamiltonien pour que cela se produise. »

En effet, non limité au système de graphène bicouche torsadé, notre travail, pour la première fois, fournit une perspective de Mott-Hubbard pour l'état QAH piloté uniquement par les interactions. Par conséquent, nous avons clarifié le mystère de longue date de l'existence possible de l'isolant topologique de Mott (TMI), la pierre angulaire de la soi-disant autoroute de l'information en raison de sa capacité à transférer l'électricité et l'information sans perte.

Le célèbre physicien sino-américain, Le professeur Shou-Cheng ZHANG (1963-2018) et ses collaborateurs ont proposé pour la première fois un tel état TMI il y a environ une décennie, et par la suite, divers modèles d'interaction ont été étudiés par de nombreux théoriciens. Parmi tous les travaux antérieurs, les termes cinétiques jouent un rôle crucial dans l'émergence du QAH, et donc, l'état obtenu ne doit pas être appelé "TMI". Cependant, notre modèle désactive complètement la partie cinétique et ne contient que les interactions pour produire l'état TMI. À cet égard, nos travaux font le pont entre les deux domaines essentiels de la physique de la matière condensée :la topologie et la forte corrélation. Une extension supplémentaire de la construction de notre modèle et des calculs quantiques à N corps non biaisés est accessible à partir d'ici.

Impact et orientations futures

Comme le nombre de transistors dans les puces de notre ordinateur double tous les 18 mois, la chaleur qu'ils ont générée avec le transfert d'électricité devient progressivement un problème grave. La découverte de l'effet Hall anormal quantique est d'une grande importance, car aucune dissipation d'énergie et aucune chaleur n'est générée dans le bord. En pratique, un tel état est la pierre angulaire de l'autoroute de l'information et promet d'être appliqué dans la puce de prochaine génération.

La découverte du QAH en tant qu'état topologique de l'isolant de Mott dans le calcul de notre modèle au remplissage v=3 met en lumière les phases qui se produisent dans le graphène bicouche torsadé à angle magique. Une modélisation et un calcul plus approfondis sur les modèles de réseau du système révéleraient le mécanisme de la supraconductivité et fourniraient une meilleure accordabilité de ces phénomènes exotiques dans ce matériau de moiré quantique 2D et dans d'autres. Les nouvelles découvertes laissent également de nombreuses questions ouvertes. Par exemple, pourquoi l'état topologique de l'isolant de Mott est-il absent aux autres remplissages de la structure de bande de la bicouche torsadée à angle magique, comment bien étudier et calculer les propriétés du modèle loin des remplissages entiers, etc? "Les réponses à ces questions pourraient aider les physiciens à démystifier complètement la magie de ce matériau et à concevoir des phases de matière plus excitantes dans ce matériau et d'autres matériaux quantiques moirés 2D actuellement activement étudiés." Le Dr Meng a ajouté, "Et notre activité de recherche et notre expertise dans les matériaux quantiques 2D peuvent considérablement stimuler cette direction, qui sont les thèmes de recherche stratégiques de HKU."