Scienziati dell'ICFO, Princeton e NIMS hanno scoperto una sequenza completa di isolanti Chern rotti dalla simmetria che sono indotti da forti correlazioni nel grafene ad angolo magico. Lo studio è stato pubblicato su Fisica della natura .

Un isolante Chern è un isolante 2D che rompe spontaneamente la simmetria di inversione temporale e ospita stati di bordo chirali. Lo studio degli isolanti Chern nell'ultimo decennio ha approfondito la comprensione della materia condensata e potrebbe portare allo sviluppo di un'elettronica a basso consumo energetico. Il grafene a doppio strato ritorto ad angolo magico (MATBG) è recentemente emerso come una ricca piattaforma per esplorare forti correlazioni, superconduttività e magnetismo e topologia a bande.

In un recente studio pubblicato su Fisica della natura , un team di scienziati tra cui il ricercatore ICFO Ipsita Das, Xiaobo Lu (ex postdoc presso ICFO), guidato dal Prof. ICFO Dmitri Efetov e dai colleghi di Princeton (Jonah Herzog-Arbeitman, Zhida Song e B. Andrei Bernevig) e l'Istituto Nazionale per le Scienze dei Materiali (Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi), ha riportato una sequenza completa di isolanti Chern rotti dalla simmetria all'interno delle bande piatte del grafene ad angolo magico.

A differenza dei tradizionali isolanti Chern, che di solito si ottengono negli isolanti topologici magnetizzati, gli isolanti Chern appena scoperti in grafene ad angolo magico, che consiste solo di atomi di carbonio non magnetici, originano dalla rottura della simmetria indotta da una forte correlazione. Nel loro esperimento, hanno usato la tecnica del magneto-trasporto per misurare sia la resistenza longitudinale che la resistenza del corridoio. Sono riusciti ad osservare gli isolanti di Chern con una sequenza magica di conduttanza di Hall quantizzata C =±1, ±2, ±3, ±4 che nucleate da riempimenti interi della cella unitaria moiré =±3, ±2, ±1, 0 corrispondentemente. La sequenza magica e la corrispondenza dei numeri di Chern e dei fattori di riempimento suggeriscono che questi stati sono guidati direttamente da interazioni elettroniche che rompono specificamente la simmetria di inversione temporale nel sistema.

Per di più, hanno studiato le oscillazioni del magnete quantistico nelle bande di dispersione di energia superiore ancora inesplorate del grafene a doppio strato ad angolo magico. In un campo magnetico, lo spettro energetico mostra una ricca sequenza di passaggi a livello che derivano direttamente dall'unica dispersione delle bande tipo Rashba. Un'ulteriore analisi dei passaggi a livello di Landau ha permesso ai ricercatori di fornire vincoli sui parametri w0 e w1 dell'Hamiltoniana Bistritzer-MacDonald MATBG.

Lo studio fornisce approfondimenti diretti sulla natura complessa della rottura della simmetria in MATBG e consente test quantitativi degli scenari microscopici proposti per le sue fasi elettroniche. Ipsita Das, ricercatore presso ICFO e primo autore dello studio afferma, "Siamo rimasti piuttosto sbalorditi quando abbiamo visto per la prima volta la ricchezza di questi nuovi stati topologici".

Dott. Xiaobo Lu, ex postdoc ICFO e coautore di questo studio, dice, "l'osservazione della topologia non banale nel grafene ad angolo magico superconduttore è eccitante. L'integrazione di una forte correlazione, la superconduttività e le fasi isolanti di Chern nel grafene a doppio strato ad angolo magico potrebbero portare a nuove strade di ricerca in futuro".

Il prof. all'ICFO Dmitri Efetov afferma:"Tali risultati segnano il passo successivo nella comprensione delle straordinarie proprietà del grafene a doppio strato attorcigliato, aggiungendo ora la topologia come una delle sue caratteristiche distintive."