Uno schema di grafene a doppio doppio strato ritorto teso (TDBG). Due strati di grafene a doppio strato quando ruotati uno sopra l'altro di un piccolo angolo θ creano grandi cellule moiré esagonali. La linea marrone delinea una di queste cellule moiré. Il ceppo distorce le cellule moiré. Credito:Sinha et al.
La curvatura di Berry e il numero di Chern sono qualità topologiche cruciali di origine quantomeccanica che caratterizzano la funzione d'onda degli elettroni dei materiali. Questi due elementi svolgono un ruolo molto importante nel determinare le proprietà di materiali specifici.
Sebbene molti studi abbiano cercato di determinare in che modo la curvatura di Berry e il numero di Chern influiscano sulle proprietà dei materiali, rilevarli in un ambiente sperimentale può essere molto difficile. Il grafene a doppio doppio strato contorto, un materiale costituito da due cristalli di grafene a doppio strato impilati, è una piattaforma particolarmente promettente per manipolare la curvatura di Berry e il numero di Valley Chern delle bande piatte topologiche e quindi per studiarne gli effetti.
I ricercatori del Tata Institute of Fundamental Research, dell'Indian Institute of Technology e del Jawaharlal Nehru Center for Advanced Scientific Research hanno esaminato le proprietà sintonizzabili del grafene a doppio doppio strato contorto per più di tre anni. Nel loro studio più recente, pubblicato su Fisica della natura , sono stati in grado di rilevare direttamente una transizione topologica in un superreticolo moiré controllando il cambiamento di segno nel dipolo di curvatura di Berry.
Questo documento si basa sui precedenti lavori del Prof. Mandar Deshmukh incentrati sul grafene a doppio doppio strato contorto. In uno dei loro studi passati, ad esempio, i ricercatori hanno introdotto strategie per rilevare la curvatura della bacca, che hanno poi applicato nei loro recenti esperimenti.
"Prima di iniziare a lavorare a questo progetto, il gruppo del Prof. Amit Agarwal stava teoricamente esaminando diversi contributi di Hall dovuti agli effetti della meccanica quantistica", ha detto a Phys.org Subhajit Sinha, uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio. "La vigilia di Natale del 2020, ci ha scritto riguardo alla misurazione dell'effetto Hall non lineare nei nostri campioni. Uno dei nostri campioni di grafene a doppio doppio strato ritorto era freddo in un criostato, quindi abbiamo deciso di raccogliere misurazioni su di esso e vedere se abbiamo ottenuto qualsiasi cosa. Forse alcune stelle erano allineate, perché abbiamo effettivamente misurato qualche segnale!"
Dopo aver convalidato le loro osservazioni e misurazioni iniziali eseguendo diversi controlli incrociati, il team è stato in grado di determinare con un alto grado di certezza di aver effettivamente misurato l'effetto Hall quantistico non lineare nel loro campione di grafene a doppio doppio strato contorto. Hanno poi eseguito altre analisi in collaborazione con il gruppo di ricerca del Prof. Amit per dimostrare di aver osservato direttamente una transizione topologica.
Nei loro recenti esperimenti, il gruppo del Prof. Mandar al TIFR ha misurato specificamente la tensione di Hall non lineare nel loro campione di grafene a doppio doppio strato attorcigliato. Questa è una tensione non lineare che può essere pilotata da una corrente elettrica perpendicolare nel piano nella misurazione della barra di Hall.
Il dipolo di curvatura Berry (BCD) di TDBG, indicato tramite colore. Il colore viola scuro indica un BCD negativo, mentre il colore giallo brillante indica un BCD positivo. Aumentando l'ampiezza del campo elettrico perpendicolare, possiamo attraversare la freccia tratteggiata per rilevare il cambio di segno del BCD. Il cambio di segno di BCD avviene a causa di una transizione topologica. Credito:Sinha et al.
"Di solito, la tensione di Hall si sviluppa perpendicolarmente al flusso di corrente quando un campo magnetico esterno viene applicato perpendicolarmente al piano del campione". Sinha ha spiegato. "È interessante notare che il lavoro teorico pionieristico di Sodemann e Fu ha mostrato che si può anche avere una tensione di Hall in assenza di un campo magnetico anche in materiali non magnetici a causa delle bande topologiche, e abbiamo misurato questa tensione."
L'effetto combinato di una curvatura della bacca diversa da zero e piccole quantità di deformazione nel sistema di grafene a doppio strato contorto può dare origine a quello che è noto come il "dipolo di curvatura della bacca". Questa misurazione unica genera una tensione Hall non lineare che scala quadraticamente con la corrente applicata a un campione di materiale.
"Abbiamo applicato una corrente a bassa frequenza e misurato la tensione di Hall al doppio della frequenza della corrente applicata per rilevare la tensione di Hall non lineare", ha affermato Sinha. "Quindi, abbiamo utilizzato un'analisi di ridimensionamento per rilevare un cambiamento di segno nel dipolo di curvatura Berry, indicando una transizione di fase topologica."
Le transizioni di fase topologiche sono incredibilmente difficili da rilevare sperimentalmente. Tuttavia, molti studi teorici e sperimentali hanno recentemente accennato a una transizione nella topologia delle bande di grafene a doppio doppio strato ritorto. Il recente lavoro del team offre un'osservazione diretta di questa transizione di fase in un contesto sperimentale.
"Utilizzando le misurazioni del trasporto, abbiamo rilevato questa transizione topologica direttamente tramite un cambiamento di segno nel dipolo di curvatura di Berry", ha spiegato Sinha. "Questo ci offre una maniglia sperimentale per sondare simultaneamente la fisica geometrica della banda e le transizioni di fase topologiche."
I risultati raccolti da questo team di ricercatori potrebbero avere implicazioni molto importanti per lo studio delle transizioni di fase topologiche nel grafene a doppio doppio strato contorto. In futuro, i metodi che hanno impiegato possono aiutare a rilevare le transizioni topologiche in altri materiali e sistemi.
"Un'immediata direzione futura per il nostro lavoro può essere l'utilizzo della nostra tecnica per mappare la transizione di fase in funzione dell'angolo di torsione o dell'ordine di impilamento", ha aggiunto Sinha. "Inoltre, speriamo che il nostro metodo venga emulato anche in altri materiali 2D o addirittura 3D per caratterizzare transizioni di fase topologiche simili. In generale, l'interesse della ricerca sugli effetti Hall non lineari sta crescendo a causa dei suoi numerosi vantaggi, uno dei quali è sondare il banda delle proprietà geometriche e topologiche dei materiali. Dovremo aspettare e vedere le vie interessanti a cui gli effetti non lineari possono accedere, man mano che si dispiegano". + Esplora ulteriormente
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