Le graphène bicouche torsadé à angle magique est un matériau composé de deux feuilles de graphène placées l'une sur l'autre, une feuille étant torsadée à exactement 1,05 degré par rapport à l'autre. Ce matériau s'est avéré être une plate-forme très prometteuse pour étudier différentes phases de la matière, car il combine des phases métalliques, supraconductrices, magnétiques et isolantes dans un seul cristal.

Le graphène bicouche torsadé à angle magique est connu pour supporter des bandes d'énergie plates avec des propriétés topologiques accessibles dans des conditions spécifiques. Des études récentes ont montré que de fortes interactions peuvent isoler ces bandes topologiques, permettant au système de prendre en charge les états fondamentaux de l'isolant de Chern. Dans les états fondamentaux de l'isolant de Chern, la majeure partie du matériau est isolante, mais les électrons peuvent se propager le long des bords sans dissiper la chaleur.

Des chercheurs de l'Université de Harvard, du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et du National Institute for Materials Science au Japon ont récemment mené une étude visant à étudier les états fondamentaux de l'isolant Chern dans le graphène bicouche torsadé. Leur article, publié dans Nature Physics , fournit la preuve de l'existence d'une séquence d'états incompressibles avec des nombres de Chern imprévisibles dans ce matériau fascinant.

"Alors que les isolants de Chern signalés à ce jour suivent une séquence simple correspondant à la rupture de la symétrie de la vallée de spin, notre article rapporte de nombreux nouveaux isolants de Chern dans lesquels les interactions électron-électron brisent la symétrie de traduction du réseau", a déclaré Andrew Pierce, l'un des chercheurs qui a réalisé l'étude, a déclaré à Phys.org .

Pierce et ses collègues ont recueilli une série de mesures à l'aide d'un microscope à transistor à un seul électron. Cet instrument peut être un détecteur local de charge électrique extrêmement sensible.

"Nous profitons de la résolution spatiale de notre microscope pour identifier les régions les plus vierges et sans désordre de l'appareil, où nous observons des signatures d'états isolants topologiques fragiles qui ne sont pas visibles dans les mesures de résistivité", a déclaré Yonglong Xie, co-auteur de l'étude.

Dans leurs expériences, Pierce et ses collègues ont dévoilé une séquence d'états incompressibles avec des nombres de Chern inattendus observés jusqu'à un champ magnétique nul. De plus, ils ont découvert que les nombres de Chern pour huit de ces états ne peuvent pas être capturés par des théories dans lesquelles les bandes du graphène bicouche torsadé à angle magique sont remplies séquentiellement. Les chercheurs ont montré que l'émergence de ces phases inhabituelles pouvait être la conséquence d'une symétrie de traduction brisée.

"La prise de conscience que des états brisés de symétrie translationnelle inhabituels sont présents dans le graphène à angle magique élargit le répertoire de comportements corrélés et topologiques dans ce système", a déclaré Pablo Jarillo-Herrero, professeur de physique Cecil et Ida Green au MIT. "En fait, de tels états brisés de symétrie translationnelle sont omniprésents dans les matériaux quantiques, mais ils peuvent être étudiés de manière beaucoup plus détaillée dans le graphène à angle magique, ce qui pourrait conduire à une compréhension fondamentale plus profonde de leur origine, avec des leçons qui peuvent être largement applicables à d'autres. matériaux corrélés."

À l'avenir, les découvertes recueillies par cette équipe de chercheurs pourraient avoir des implications importantes pour l'étude des états d'isolant de Chern dans le graphène bicouche torsadé à angle magique, ainsi que la rupture de symétrie dans d'autres matériaux, tels que le haut-T _c supraconducteurs. Dans l'ensemble, cette étude étend considérablement le diagramme de phase connu du graphène bicouche torsadé à angle magique et met en lumière l'origine possible de la compétition étroite entre les différentes phases corrélées en son sein.