Illustrazione di un motivo moiré che emerge dall'impilamento e dalla rotazione di due fogli di grafene a doppio strato. Stati elettronici correlati con ordinamento magnetico emergono nel grafene a doppio strato ritorto su una piccola gamma di angoli di torsione, e può essere sintonizzato con gating e applicando un campo elettrico. Credito:He et al.
Negli ultimi anni, un numero crescente di ricercatori in tutto il mondo ha condotto studi sulle proprietà e le caratteristiche dei cosiddetti materiali twisted van der Waals (vdW). Questa classe unica di materiali potrebbe essere una piattaforma ideale per esaminare fasi correlate che si verificano a seguito di forti interazioni tra elettroni.
I ricercatori dell'Università di Washington e del National Institute for Materials Science in Giappone hanno recentemente condotto uno studio che esplora specificamente gli stati isolanti correlati che possono verificarsi in eterostrutture vdW ritorte e che potrebbero essere sintonizzati modificando l'angolo di torsione e applicando un campo elettrico esterno. Nella loro carta, pubblicato in Fisica della natura , presentano misurazioni del trasporto elettrico del grafene a doppio doppio strato attorcigliato, da cui sono stati in grado di esaminare il ruolo della rottura spontanea della simmetria nel diagramma di fase del materiale.
I fisici della materia condensata hanno saputo isolare fogli singoli monostrato di materiali come il grafene per oltre 15 anni utilizzando una procedura di esfoliazione con nastro adesivo. Ora sanno anche come raccogliere singolarmente sottili fogli atomici e assemblarli uno sopra l'altro. Se vengono ruotati di un piccolo angolo di torsione, emerge uno schema di interferenza geometrico chiamato motivo moiré. Questo modello può modificare fortemente le proprietà elettroniche di una struttura composita.
"In certi casi, il modello moiré può provocare nuovi stati elettronici spettacolari che sono guidati da forti interazioni tra gli elettroni nel materiale, "Matteo Yankowitz, assistente professore di fisica e scienza dei materiali e ingegneria presso l'Università di Washington, chi ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Questo è stato scoperto per la prima volta nel 2018 dai ricercatori del MIT, che ha osservato la superconduttività e gli stati isolanti correlati impilando due fogli di grafene monostrato attorcigliati di 1,1° (cioè, grafene a doppio strato ritorto ad angolo magico). Questi stati correlati sono particolarmente eccitanti perché risiedono in una struttura stechiometricamente semplice composta interamente da atomi di carbonio e possono essere sintonizzati dinamicamente utilizzando una serie di manopole sperimentali come il drogaggio di carica, angolo di torsione e pressione."
Stati correlati simili sono stati precedentemente osservati anche in cristalli sfusi, eppure in questi materiali, erano molto più difficili da sintonizzare e modellare teoricamente a causa delle strutture complesse dei cristalli. La comprensione di questi stati fortemente correlati rimane quindi una sfida chiave nella fisica della materia condensata.
L'obiettivo del recente lavoro di Yankowitz e dei suoi colleghi era quello di ottenere informazioni su come questi stati correlati nelle eterostrutture vdW possono essere utilizzati nella ricerca e nello sviluppo tecnologico. Poco dopo essere stati avvistati per la prima volta nel grafene a doppio strato attorcigliato ad angolo magico, gruppi di ricerca di tutto il mondo si sono resi conto che questi stati potevano essere trovati anche in eterostrutture contenenti due fogli ritorti di grafene a doppio strato (cioè, quattro strati di grafene in totale).
"In questo caso, gli stati correlati potrebbero inoltre essere controllati da un campo elettrico applicato perpendicolarmente ai fogli di grafene, " Yankowitz ha spiegato. "Tuttavia, l'esatta natura di questi stati rimaneva alquanto misteriosa. In particolare, c'erano caratteristiche che ricordavano una forma esotica di superconduttività, però, l'origine esatta di queste caratteristiche non era ben compresa. La motivazione principale del nostro studio è stata quella di rispondere a queste domande studiando il grafene a doppio strato contorto con sintonizzabilità elettrica".
Come parte del loro studio, Yankowitz e i suoi colleghi hanno misurato il trasporto elettrico in funzione della temperatura e del campo magnetico. Quando c'è un piccolo campo magnetico, il segno della resistenza trasversale alla corrente applicata, nota come resistenza di Hall, indica che tipo di particelle subatomiche (cioè, elettroni o 'buche') sono i principali portatori di carica all'interno di un materiale.
Immagine al microscopio ottico di un dispositivo di grafene a doppio strato ritorto. Credito:He et al.
Quando gli stati correlati rompono spontaneamente una simmetria (cioè, spin elettronico o simmetria di valle) in grafene a doppio doppio strato ritorto a basse temperature, la struttura elettronica del materiale cambia rapidamente, e anche i suoi portatori di carica primari possono cambiare. Perciò, misurare simultaneamente la resistività del materiale e l'effetto Hall può offrire preziose informazioni sugli stati correlati al suo interno.
"Misurando attentamente la resistività e l'effetto Hall del grafene a doppio strato ritorto in funzione della temperatura, abbiamo scoperto che la resistività brusca diminuisce, ricorda la superconduttività, sono stati anche associati a un cambiamento di segno simultaneo nella sua resistenza di Hall, " disse Xiaodong Xu, professore di Fisica e Scienza dei Materiali e Ingegneria presso l'Università di Washington. "Questa osservazione è più coerente con l'inizio dell'ordinamento magnetico dovuto alla rottura spontanea della simmetria che con la superconduttività".
interessante, il calo di resistività osservato da Yankowitz, Xu e i loro colleghi nel grafene a doppio strato ritorto subiscono il cambiamento più netto in funzione della temperatura al confine degli stati di rottura della simmetria. Come parte del loro studio, i ricercatori hanno anche studiato il trasporto in funzione della distorsione causata da una corrente elettrica applicata.
Quando hanno applicato una corrente al materiale, hanno osservato le firme associate al trasporto non lineare. Sebbene il trasporto non lineare sia osservato anche negli stati superconduttori, hanno scoperto che nel loro campione era molto probabilmente il risultato di meccanismi di riscaldamento Joule.
"Il nostro lavoro fornisce una nuova comprensione critica di caratteristiche precedentemente misteriose associate a stati correlati nel grafene a doppio doppio strato attorcigliato, " ha detto Yankowitz. "Anche se non possiamo escludere direttamente la superconduttività, i nostri risultati suggeriscono che il magnetismo guidato dalla rottura spontanea della simmetria è un candidato plausibile per lo stato metallico correlato nel grafene a doppio doppio strato attorcigliato".
Negli ultimi anni, caratteristiche simili alla superconduttività simili a quella esaminata da questo team di ricercatori sono state osservate in un'ampia varietà di eterostrutture moiré vdW. Le nuove scoperte che hanno presentato potrebbero aiutare a differenziare questi stati dalla superconduttività che studi precedenti hanno svelato nel grafene a doppio strato attorcigliato ad angolo magico.
Inoltre, le osservazioni raccolte da Yankowitz, Xu e i loro colleghi potrebbero aiutare a comprendere meglio la natura degli stati correlati nelle eterostrutture moiré vdW da un punto di vista teorico, che finora si è rivelato molto impegnativo. I ricercatori stanno pianificando di utilizzare le informazioni acquisite per sviluppare sonde più dirette per comprendere questi stati.
"Poiché i nostri risultati suggeriscono che gli stati metallici correlati sono ordinati magneticamente, vorremmo osservare le firme dirette di questo magnetismo usando una combinazione di trasporto elettrico e spettroscopia ottica, " ha detto Yankowitz. "Stiamo anche studiando nuovi modi per controllare questi stati correlati, ad esempio applicando alta pressione per modificare l'accoppiamento tra gli strati e la struttura cristallina del materiale. Finalmente, la teoria prevede che questo materiale possa ospitare stati topologici, come l'effetto Hall anomalo quantistico, quindi ora stiamo cercando modi per esporre e sondare questa topologia non banale".
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