Negli ultimi anni, molti fisici e scienziati dei materiali in tutto il mondo hanno studiato le proprietà e le caratteristiche del grafene a doppio strato ritorto ad angolo magico (MATBG). MATBG è un materiale fortemente correlato che è stato realizzato sperimentalmente per la prima volta nel 2018. Questo materiale unico ospita una vasta gamma di fasi altamente correlate, compresi i metalli, semimetalli, Isolanti Chern, stati di sala quantistici anomali e, forse più interessante, superconduttività.

Ricercatori dell'Università della California, Berkeley (UC Berkeley) ha recentemente condotto uno studio sugli effetti dell'eterotrazione uniassiale sul diagramma di fase interagente di MATBH. Le loro scoperte, pubblicato in Lettere di revisione fisica , suggeriscono che piccoli valori di deformazione hanno portato a una transizione di fase a temperatura zero tra due stati, vale a dire l'isolante a coerenza di intervallo di Kramers rotto dalla simmetria e le fasi semimetalliche nematiche.

"Un obiettivo chiave del nostro campo è comprendere l'origine della superconduttività in MATBG e approfondire il meccanismo responsabile, "Daniel Parker e Tomo Soejima, due dei ricercatori che hanno condotto lo studio, detto a Phys.org via e-mail. "Però, c'è un importante puzzle del diagramma di fase MATBG, che complica ogni tentativo di indovinare la natura della superconduttività, vale a dire a neutralità di carica, alcuni esperimenti trovano uno stato semimetallico, mentre altri vedono gli isolanti. Il nostro lavoro propone che una particolare fase di transizione possa risolvere questa discrepanza".

Tutte le azioni e i cambiamenti in MATBG si verificano in quelle che sono conosciute come le sue bande attive. Queste bande includono 2 bande Chern, per 2 valli e per 2 giri, per un totale di 8. Gli scienziati possono facilmente regolare sperimentalmente il numero di elettroni nel sistema, che a sua volta permette loro di accordare queste bande da tutte vuote a tutte piene.

"Per analogia, si può pensare a questo come ad avere 8 secchi che possono essere riempiti d'acqua, " ha spiegato Parker. "Per una data quantità di acqua, il MATBG ne sceglie uno, e solo uno, modo per distribuire l'acqua. Ad esempio, se ci sono due secchi d'acqua, quindi MATBG potrebbe scegliere di riempire 2 secchi pieni fino all'orlo, o per riempire 4 secchi ciascuno a metà. La fase del sistema è contrassegnata da due cose:1. come l'acqua (elettroni) è distribuita nei secchi (bande) e 2. quanto è difficile aggiungere un'altra goccia d'acqua (cioè, se il sistema è isolante o conduttivo)."

Mentre la natura isolante o conduttiva di un sistema è abbastanza facile da dedurre sperimentalmente, la distribuzione degli elettroni nelle bande di MATBH molto più difficile da determinare. Nella loro carta, Parker, Soejima e i loro colleghi volevano esplorare cosa succede quando il numero di elettroni è tale da annullare la carica degli atomi di carbonio (noto come punto di neutralità della carica) o, quando si considera l'analogia dei secchi d'acqua, se i secchi sono pieni d'acqua per metà.

Mentre alcuni studi passati che hanno indagato su questo hanno osservato stati isolanti (cioè, dove è difficile aggiungere "una goccia in più"), altri invece hanno osservato metalli o stati semimetallici. Da un punto di vista teorico, il lavoro precedente di Nick Bultinck e dei suoi collaboratori suggerisce che lo stato isolante potrebbe essere uno stato Kramers-intervalley coerente (KIVC). Per spiegarlo usando l'analogia del secchio d'acqua, sarebbe come se tutti i secchi fossero pieni a metà, ma erano stranamente accoppiati con un partner riempito solo nella metà sinistra e l'altro riempito solo a destra.

"Ulteriori lavori di Bultinck e dei suoi colleghi hanno dimostrato che questo stato è una possibile origine della superconduttività in MATBG, " Dissero Parker e Soejima. "La fase semimetallica alternativa è molto più convenzionale, dove viene riempita la metà inferiore di ogni secchio. La domanda principale a cui abbiamo cercato di rispondere era perché, quando la teoria precedente prevedeva uno stato KIVC, si potrebbe invece osservare il semimetallo."

Una possibile ragione per le discrepanze nelle osservazioni passate è che dispositivi diversi hanno Hamiltoniane leggermente diverse. Alcuni team sono stati in grado di utilizzare un modello semplificato di MATBG, introdotto per la prima volta da Bistrizter e McDonald, per studiare le proprietà dei campioni MATBG.

Studi recenti, però, ha rivelato che nella sua forma originale, il cosiddetto modello BM, non cattura il tunneling non locale presente in DFT, allineamento con substrato hBN, e rinormalizzazione della struttura a bande di fermioni liberi, e altri effetti. Parker, Soejima e i loro colleghi volevano quindi determinare quale effetto potesse essere considerato per spiegare la discrepanza osservata.

"Bultinck aveva un acuto sospetto che il ceppo potesse essere il colpevole di questa discrepanza, " hanno detto Parker e Soejima. "Mentre un modo realistico per modellare la deformazione in MATBG era già stato proposto e il suo effetto sulla struttura delle bande non interagenti (cioè, soluzione dell'Hamiltoniana senza interazione di Coulomb) era stata studiata, il suo effetto sul diagramma di fase in presenza di interazione non era stato studiato finora".

Per verificare l'ipotesi introdotta da Bultinck, i ricercatori hanno utilizzato due tecniche numeriche complementari, noto come Hartree-Fock (HF) autoconsistente e gruppo di rinormalizzazione della matrice di densità (DMRG). Hartree-Fock è un'approssimazione standard che incorpora gli effetti più importanti delle interazioni elettrone-elettrone. Questa approssimazione è altamente flessibile; così, consente ai ricercatori di esaminare grandi dimensioni del sistema di celle 24 x 24 unità.

"Poiché HF è un'approssimazione, c'è sempre la spaventosa possibilità che stia producendo una fase "falsa", " Parker e Soejima hanno detto "Abbiamo quindi usato DMRG per escluderlo. DMRG è una tecnica numerica imparziale che, con sufficiente potenza di calcolo, determinerà la vera fase del sistema. Usarlo per sistemi 2D con interazioni a lungo raggio come abbiamo qui non è banale, e richiede tecniche speciali sviluppate da noi in un documento precedente."

Rispetto all'approssimazione HF, DMRG è più lento, più costoso e può essere utilizzato solo per esaminare piccoli sistemi. Per ottenere risultati affidabili, Parker, Soejima e i loro colleghi hanno quindi deciso di utilizzare HF e DMRG in tandem, poiché HF ha permesso loro di mappare l'intero diagramma di fase e DMRG per verificare che l'approssimazione HF fosse corretta.

"La scoperta chiave del nostro lavoro è che piccole quantità di eterostrain (precisamente nell'intervallo ε∼ 0,1%-0,2%) possono distruggere la fase KIVC e sostituirla con un semimetallo, " Dissero Parker e Soejima. "Qualsiasi foglio di grafene prodotto in laboratorio è sempre sotto stress, che lo comprime in una direzione mentre lo allunga nell'altra. In MATBG, si ha la possibilità aggiuntiva di eterostrain, dove lo strato superiore è compresso lungo l'asse di stiramento dello strato inferiore, e viceversa."

Nel passato, alcuni ricercatori hanno effettuato esperimenti misurando l'eteroceppo presente nei campioni di MATBG e hanno scoperto che era minuscolo, compreso tra 0,1% - 0,7%. Quando Parker, Soejima, e i loro colleghi hanno iniziato a esplorare questo argomento, erano abbastanza scettici sul fatto che una quantità così piccola di sforzo avrebbe avuto effetti particolari, quindi i loro risultati furono una sorpresa per loro.

"Un'implicazione dei nostri risultati è che il ceppo è un parametro importante per caratterizzare sperimentalmente, " hanno detto Parker e Soejima. "Gli sperimentali che producono e misurano il grafene a doppio strato attorcigliato fanno un lavoro incredibile destreggiandosi e controllando molte fonti di errori. Eliminare una quantità così piccola di tensione è probabilmente terribilmente difficile, ma sospettiamo che prima o poi qualcuno troverà un modo per farlo".

Globale, i risultati suggeriscono che la deformazione è un'importante "manopola di svolta" in MATBG in quanto può suscitare transizioni di fase, quindi dovrebbe essere misurato e caratterizzato quando possibile. Questa osservazione potrebbe avere importanti implicazioni per la ricerca futura nella scienza dei materiali, in quanto potrebbe aiutare a migliorare le prestazioni del grafene a doppio strato ritorto.

"Il nostro prossimo obiettivo è capire l'origine della superconduttività nel grafene ad angolo magico, "Parker e Soejima hanno detto. "Una proposta interessante è che possa essere mediato da quasiparticelle chiamate Skyrmions invece dei fononi standard. Se questo è davvero il caso, speriamo di confermarlo ampliando gli strumenti utilizzati in questo lavoro".

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