Nel 2018 è stato scoperto che due strati di grafene attorcigliati l'uno rispetto all'altro da un angolo "magico" mostrano una varietà di fasi quantistiche interessanti, inclusa la superconduttività, magnetismo e comportamenti isolanti. Ora, un team di ricercatori del Weizmann Institute of Science guidato dal Prof. Shahal Ilani del Dipartimento di Fisica della Materia Condensata, in collaborazione con il gruppo del Prof. Pablo Jarillo-Herrero al MIT, hanno scoperto che queste fasi quantistiche discendono da uno "stato genitore" ad alta energia precedentemente sconosciuto con un'insolita rottura della simmetria.

Il grafene è un cristallo piatto di carbonio, solo un atomo di spessore. Quando due fogli di questo materiale sono posti uno sopra l'altro, disallineato a piccolo angolo, appare un motivo periodico "moiré". Questo modello fornisce un reticolo artificiale per gli elettroni nel materiale. In questo sistema a doppio strato contorto gli elettroni sono disponibili in quattro "sapori":gira "su" o "giù, " combinato con due "valli" che hanno origine nel reticolo esagonale del grafene. Di conseguenza, ogni sito moiré può contenere fino a quattro elettroni, uno per ogni gusto.

Mentre i ricercatori sapevano già che il sistema si comporta come un semplice isolante quando tutti i siti moiré sono completamente pieni (quattro elettroni per sito), Jarillo-Herrero e i suoi colleghi scoprirono con loro sorpresa, nel 2018, che con uno specifico angolo "magico", il sistema attorcigliato diventa anche isolante in corrispondenza di altri riempimenti interi (due o tre elettroni per sito moiré). Questo comportamento, esibito dal grafene a doppio strato ritorto ad angolo magico (MATBG), non può essere spiegato dalla fisica delle singole particelle, ed è spesso descritto come un "isolante Mott correlato". Ancora più sorprendente è stata la scoperta di una superconduttività esotica vicino a queste otturazioni. Questi risultati hanno portato a una raffica di attività di ricerca che mirano a rispondere alla grande domanda:qual è la natura dei nuovi stati esotici scoperti in MATBG e sistemi intrecciati simili?

Imaging di elettroni di grafene ad angolo magico con un rilevatore di nanotubi di carbonio

Il team di Weizmann ha cercato di capire come si comportano gli elettroni interagenti in MATBG utilizzando un tipo unico di microscopio che utilizza un transistor a singolo elettrone con nanotubi di carbonio, posizionato al bordo di un cantilever della sonda di scansione. Questo strumento può immaginare, nello spazio reale, il potenziale elettrico prodotto dagli elettroni in un materiale con estrema sensibilità.

"Utilizzando questo strumento, potremmo immaginare per la prima volta la "compressibilità" degli elettroni in questo sistema, cioè quanto è difficile spremere elettroni aggiuntivi in ​​un dato punto nello spazio, " spiega Ilani. "A grandi linee, la comprimibilità degli elettroni riflette la fase in cui si trovano:In un isolante, gli elettroni sono incomprimibili, mentre in un metallo sono altamente comprimibili."

La comprimibilità rivela anche la "massa effettiva" degli elettroni. Per esempio, nel grafene normale gli elettroni sono estremamente "leggeri, " e quindi si comportano come particelle indipendenti che praticamente ignorano la presenza dei loro compagni elettroni. Nel grafene ad angolo magico, d'altra parte, si ritiene che gli elettroni siano estremamente "pesanti" e il loro comportamento è quindi dominato dalle interazioni con altri elettroni ‒ un fatto che molti ricercatori attribuiscono alle fasi esotiche trovate in questo materiale. Il team di Weizmann si aspettava quindi che la compressibilità mostrasse uno schema molto semplice in funzione del riempimento di elettroni:interscambio tra un metallo altamente comprimibile con elettroni pesanti e isolanti Mott incomprimibili che appaiono a ciascun riempimento del reticolo moiré intero.

Con loro sorpresa, hanno osservato un modello molto diverso. Invece di una transizione simmetrica dal metallo all'isolante e di nuovo al metallo, hanno osservato un acuto, salto asimmetrico nella compressibilità elettronica in prossimità dei riempimenti interi.

"Ciò significa che la natura dei vettori prima e dopo questa transizione è nettamente diversa, " dice l'autore principale dello studio Uri Zondiner. "Prima della transizione i vettori sono estremamente pesanti, e dopo di essa sembrano estremamente leggere, ricorda gli "elettroni di Dirac" che sono presenti nel grafene."

Lo stesso comportamento è stato visto ripetersi vicino a ogni riempimento intero, dove i portatori pesanti cedettero improvvisamente e riemersero elettroni leggeri simili a Dirac.

Ma come si può intendere un cambiamento così repentino nella natura dei portatori? Per rispondere a questa domanda, il team ha lavorato insieme ai teorici di Weizmann, i prof. Erez Berg, Yuval Oreg e Ady Stern, e la dottoressa Raquel Quiroez; così come il Prof. Felix von-Oppen della Freie Universität Berlin. Hanno costruito un modello semplice, rivelando che gli elettroni riempiono le bande di energia in MATBG in un modo "Sisifo" molto insolito:quando gli elettroni iniziano a riempirsi dal "punto Dirac" (il punto in cui le bande di valenza e di conduzione si toccano appena), si comportano normalmente, distribuendosi equamente tra i quattro gusti possibili. "Però, quando il riempimento si avvicina a quello di un numero intero di elettroni per sito del superreticolo moiré, si verifica una drammatica transizione di fase, ", spiega l'autore principale dello studio Asaf Rozen. "In questa transizione, un sapore 'afferra' tutti i portatori dei suoi coetanei, "ripristinandoli" al punto di Dirac a carica neutra."

"Rimasto senza elettroni, i tre gusti rimanenti devono ricominciare da capo. Lo fanno fino a quando si verifica un'altra transizione di fase, dove questa volta uno dei restanti tre gusti prende tutti i portatori dei suoi coetanei, riportandoli al punto di partenza. Gli elettroni hanno quindi bisogno di scalare una montagna come Sisifo, essendo costantemente respinti al punto di partenza in cui ritornano al comportamento degli elettroni di Dirac leggeri, " says Rozen. While this system is in a highly symmetric state at low carrier fillings, in which all the electronic flavors are equally populated, with further filling it experiences a cascade of symmetry-breaking phase transitions that repeatedly reduce its symmetry.

A 'parent state'

"What is most surprising is that the phase transitions and Dirac revivals that we discovered appear at temperatures well above the onset of the superconducting and correlated insulating states observed so far, " says Ilani. "This indicates that the broken symmetry state we have seen is, infatti, the 'parent state' out of which the more fragile superconducting and correlated insulating ground states emerge."

The peculiar way in which the symmetry is broken has important implications for the nature of the insulating and superconducting states in this twisted system.

"Per esempio, it is well known that stronger superconductivity arises when electrons are heavier. Our experiment, però, demonstrates the exact opposite:superconductivity appears in this magic-angle graphene system after a phase transition has revived the light Dirac electrons. How this happens, and what it tells us about the nature of superconductivity in this system compared to other more conventional forms of superconductivity remain interesting open questions, " says Zondiner.

A similar cascade of phase transitions was reported in another paper published in the same Natura issue by Prof. Ali Yazdani and colleagues at Princeton University. "The Princeton team studied MATBG using a completely different experimental technique, based on a highly-sensitive scanning tunneling microscope, so it is very reassuring to see that complementary techniques lead to analogous observations, " says Ilani.

The Weizmann and MIT researchers say they will now use their scanning nanotube single-electron-transistor platform to answer these and other basic questions about electrons in various twisted-layer systems:What is the relationship between the compressibility of electrons and their apparent transport properties? What is the nature of the correlated states that form in these systems at low temperatures? And what are the fundamental quasiparticles that make up these states?

Lo studio, "Cascade of phase transitions and Dirac revivals in magic angle graphene, " was published June 11 in the journal Natura .