Nematicity is een nieuw stuk in de dubbele dubbellaagse grafeenfasediagrampuzzel

Hoewel gedraaide vellen dubbellaags grafeen de afgelopen jaren uitgebreid zijn bestudeerd, ontbreken er nog steeds stukjes in de puzzel die het fasediagram is – de verschillende ongestoorde grondtoestanden van het systeem. Inschrijven Natuurfysica, hebben Carmen Rubio-Verdú en collega’s een nieuw puzzelstukje gevonden: een elektronische nematische fase.

Voor het eerst beschreven in een andere toestand van materie die een vloeibaar kristal wordt genoemd, treedt een nematische fase op wanneer deeltjes in een materiaal een anders symmetrische structuur breken en losjes met elkaar oriënteren langs dezelfde as. Dit fenomeen is de basis van het LCD-scherm dat veel wordt gebruikt in televisies en computermonitoren. In een elektronische nematische fase zijn de deeltjes in kwestie elektronen, waarvan het gedrag en de rangschikking in een materiaal van invloed kunnen zijn op hoe goed dat materiaal een elektrische stroom in verschillende richtingen zal geleiden.

“De gegevens zijn verbluffend”, zegt co-auteur Rafael Fernandes, een theoretisch natuurkundige aan de Universiteit van Minnesota, die senior auteur Abhay Pasupathy ontmoette als postdoc aan Columbia. “Je kunt duidelijk zien dat er een symmetrie wordt verbroken.”

Gebroken symmetrieën leveren vaak nieuwe kwantumeffecten op, legde hij uit. Gedraaid dubbellaags grafeen heeft meestal een drievoudige symmetrie – het maakt niet uit hoe vaak je een afbeelding ervan in bochten van 120 graden draait, het blijft hetzelfde. Met behulp van scanning tunneling microscopie en spectroscopie om de elektronische eigenschappen van individuele atomen vast te leggen, namen Rubio-Verdú en haar collega’s gedraaid grafeen op bij verschillende spanningen. “Wat we zien zijn strepen”, zei ze – dat zijn elektronen die opnieuw worden uitgelijnd en de symmetrie van het monster verbreken, zelfs als het onderliggende atoomrooster hetzelfde blijft. In deze waargenomen nematische fase kan het beeld nu slechts 180 graden worden gedraaid.

“Deze fasen komen voort uit elektron-elektron-interacties”, zegt Rubio-Verdú, een Marie Skłodowska-Curie Actions Fellow die elektronische fasen bestudeert in moiré-materialen zoals gedraaid grafeen met Pasupathy. “Het vinden van een nieuwe fase zoals deze is opwindend omdat het bijdraagt ​​aan ons holistische begrip van op grafeen gebaseerde systemen.”

Eerdere experimenten suggereerden dat een dergelijke gecorreleerde elektronische fase bestond in gedraaid grafeen, maar het was onduidelijk of dit daadwerkelijk het gevolg was van spanning over het gedraaide materiaal. Spanning kan ook elektronen overhalen om te bewegen, maar dit is eerder een mechanisch dan een elektronisch effect, legt Rubio-Verdú uit. In dit experiment gebruikte het team een ​​gedraaid grafeenmonster dat relatief groot was maar een extreem lage spanning had – slechts 0,03 procent. “We kijken naar honderden nanometers en het effect houdt aan”, zei Rubio-Verdú. “Dit is een echte elektronische nematische fase.”

Theoretisch zou zo’n fase in elk materiaal op grafeenbasis kunnen bestaan. In toekomstig werk is het team van plan om te onderzoeken hoe de nematische fase het vermogen van gedraaid dubbellaags grafeen om elektrische stroom te geleiden beïnvloedt.

Het begrijpen van de volledige reeks elektronisch gedrag in moiré-materialen zoals gedraaid grafeen kan natuurkundigen op een dag helpen om een ​​andere kwantumfase, supergeleiding, beter te begrijpen, waarin een elektrische stroom door een materiaal beweegt zonder weerstand. Deze fase vindt momenteel echter plaats bij zeer lage temperaturen – zelfs zogenaamde hoge-temperatuur-supergeleiders, die worden gebruikt in apparaten zoals MRI-machines, moeten bijna 100 ° F onder nul worden gehouden. Hoewel moiré-materialen zoals gedraaid grafeen worden bestudeerd bij temperaturen van bijna -450 ° F, delen ze overeenkomsten met supergeleiders bij hoge temperaturen, zei Rubio-Verdú, zoals supergeleidende en isolerende toestanden die afhankelijk zijn van elektronendoping.

Het veld stelt nog steeds fundamentele vragen over de aard van moiré-materialen, maar de ontdekking van een elektronische nematische fase in gedraaid dubbellaags grafeen is nog maar een stukje van die puzzel die nu op zijn plaats is gelegd. “We zien elektronische nematiciteit in een andere klasse van verbindingen”, zei Fernandes. “Terwijl mensen allerlei verschillende manieren bedenken om verschillende lagen te verdraaien, willen we nu uitzoeken wat gebruikelijk en robuust is.”