Universele reeks Chern-isolatoren in supergeleidend magisch-hoekgrafeen

Wetenschappers van ICFO, Princeton en NIMS hebben een volledige reeks symmetrie-gebroken Chern-isolatoren ontdekt die worden veroorzaakt door sterke correlaties in magisch-hoekgrafeen. De studie is gepubliceerd in Natuurfysica​

Een Chern-isolator is een 2D-isolator die spontaan tijdomkeringssymmetrie doorbreekt en gastheren die chirale randtoestanden geleiden. De studie van Chern-isolatoren in het afgelopen decennium heeft het begrip van gecondenseerde materie verdiept en zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van elektronica met een laag stroomverbruik. Magic angle twisted bilayer graphene (MATBG) is onlangs naar voren gekomen als een rijk platform om sterke correlaties, supergeleiding en magnetisme en bandtopologie te onderzoeken.

In een recente studie gepubliceerd in Natuurfysica, een team van wetenschappers, waaronder ICFO-onderzoeker Ipsita Das, Xiaobo Lu (voormalig postdoc bij ICFO), geleid door ICFO Prof.Dmitri Efetov en collega’s van Princeton (Jonah Herzog-Arbeitman, Zhida Song en B. Andrei Bernevig) en het National Institute for Material Sciences (Kenji Watanabe en Takashi Taniguchi), heeft een volledige reeks symmetrie-gebroken Tsjern-isolatoren gerapporteerd in de platte banden van magisch hoekgrafeen.

In tegenstelling tot traditionele Chern-isolatoren, die meestal worden bereikt in gemagnetiseerde topologische isolatoren, zijn de nieuw ontdekte Chern-isolatoren in magisch hoekgrafeen, dat alleen uit niet-magnetische koolstofatomen bestaat, afkomstig van een sterke correlatie-geïnduceerde symmetriebreking. In hun experiment gebruikten ze magnetotransporttechniek om zowel longitudinale weerstand als halweerstand te meten. Ze slaagden erin om Chern-isolatoren te observeren met een magische opeenvolging van gekwantiseerde Hall-conductantie C = ± 1, ± 2, ± 3, ± 4, die navenant kiemen uit gehele vullingen van de moiré-eenheidscel = ± 3, ± 2, ± 1, 0. De magische opeenvolging en overeenkomst van Chern-getallen en vulfactoren suggereren dat deze toestanden rechtstreeks worden aangedreven door elektronische interacties die specifiek de tijdomkeringssymmetrie in het systeem doorbreken.

Bovendien bestudeerden ze kwantum-magneto-oscillaties in de tot nu toe onontgonnen hoger-energetische dispersieve banden van magisch-hoek-dubbellaaggrafeen. In een magnetisch veld vertoont het energiespectrum een ​​rijke reeks spoorwegovergangen die rechtstreeks afkomstig zijn van de unieke Rashba-achtige spreiding van de banden. Verdere analyse van de kruisingen op Landau-niveau stelde de onderzoekers in staat om beperkingen te stellen aan de parameters w0 en w1 van de Bistritzer-MacDonald MATBG Hamiltonian.

De studie biedt directe inzichten in de complexe aard van symmetriebreking in MATBG en maakt kwantitatieve tests mogelijk van de voorgestelde microscopische scenario’s voor de elektronische fasen ervan. Ipsita Das, onderzoeker bij ICFO en eerste auteur van de studie, zegt: “We waren behoorlijk verbluft toen we de rijkdom van deze nieuwe topologische toestanden voor het eerst zagen.”

Dr. Xiaobo Lu, voormalig ICFO-postdoc en co-auteur van deze studie, zegt: “de waarneming van niet-triviale topologie in supergeleidend magisch hoekgrafeen is opwindend. De integratie van sterke correlatie, supergeleiding en Chern-isolatiefasen in magisch-hoek-dubbellaaggrafeen zou kunnen leiden tot nieuwe onderzoekswegen in de toekomst. “

Prof. bij ICFO Dmitri Efetov zegt: “Dergelijke prestaties markeren de volgende stap in het begrip van de verbazingwekkende eigenschappen van gedraaid dubbellaags grafeen, en voegen nu topologie toe als een van de bepalende kenmerken.”