Immagina di impilare due fogli di grafene:la forma 2D della grafite, o la matita a portata di mano, in cui gli atomi di carbonio formano un reticolo esagonale e torcono il foglio superiore fuori allineamento con il foglio sottostante, producendo una disposizione periodica di atomi denominata pattern moiré. Sapete che con un angolo distorto di circa 1° - la gente ora lo chiama l'angolo "magico" - il sistema potrebbe mostrare comportamenti molto esotici come diventare un isolante, un metallo o anche un superconduttore? Riesci a immaginare lo stesso atomo di carbonio nella tua matita (grafite) che diventa un superconduttore quando viene ruotato all'angolo magico? In effetti ha fatto come la gente l'ha scoperto nel 2018, ma perché? Un team di ricercatori del Dipartimento di Fisica dell'Università di Hong Kong (HKU) e i loro collaboratori sono riusciti a scoprire un isolante Mott topologico in buona fede in un modello di grafene a doppio strato attorcigliato. I risultati sono stati pubblicati su una rinomata rivista Comunicazioni sulla natura .

Le ragioni di questi eccitanti fenomeni sono le frontiere della fisica della materia condensata e della ricerca sui materiali quantistici, entrambi sperimentali, teorico e computazionale, generalmente in forma combinata. La comprensione di base fino ad ora è che una volta che i due fogli di grafene formano motivi moiré agli angoli magici, le bande energetiche degli elettroni nel grafene a doppio strato attorcigliato diventano quasi piatte, in altre parole, la velocità degli elettroni sul reticolo diventa considerevolmente più bassa del solito (rispetto a quella del grafene o della grafite monostrato, la nostra matita), così, la densità degli elettroni per questa energia specifica è tremendamente grande e gli elettroni possono interagire fortemente tra loro, dando luogo a molti stati inaspettati, per esempio., il superconduttore, effetto Hall quantistico.

Di conseguenza, il comportamento dell'elettrone è dominato dalle interazioni repulsive reciproche (Coulomb), il che porta all'emergere delle fasi esotiche discusse sopra che non esistono nei singoli strati di grafene o nella nostra matita. A basse temperature (inferiori a 10 Kelvin), quando il numero di elettroni è sintonizzato per riempire i gradi di libertà interi delle bande piatte, significa che alcune di queste bande sono completamente occupate lasciando le altre completamente vuote, il sistema quindi formerebbe una fase elettricamente isolante. Inoltre, quando il numero di elettroni si discosta dai riempimenti interi, il sistema diventa un metallo (con bassa resistività elettrica) o un superconduttore (resistenza zero).

I fenomeni del grafene a doppio strato ritorto ad angolo magico sono ricchi e profondi, e i fisici di tutto il mondo stanno ora cercando molto duramente di costruire modelli microscopici adeguati e trovare potenti metodologie di calcolo per catturare le misteriose proprietà di questi modelli. Recentemente, Dr. BinBin Chen e Dr. Zi Yang Meng del Dipartimento di Fisica, HKU, in collaborazione con istituzioni cinesi e statunitensi, riuscito a farlo con sostanziali progressi. Hanno demistificato il diagramma di fase di un modello con una densità specifica di elettroni e hanno identificato lo stato di Hall anomalo quantistico osservato sperimentalmente, che è un nuovo stato quantico con corrente di bordo senza dissipazione e promette di essere utilizzato come componente di base dei tuoi gadget elettronici quotidiani, per esempio. computer, smartphone.

Effetto Hall anomalo quantistico in un modello di grafene a doppio strato ritorto efficace

I ricercatori prestano particolare attenzione al riempimento intero ν=3 del grafene a doppio strato ritorto ad angolo magico, poiché nella stessa cassa di riempimento, l'esperimento mostra che nell'allineamento del substrato di nitruro di boro esagonale, gli elettroni mostrano una conduttanza di Hall quantizzata σxy=e2/h senza esercitare un campo magnetico, il cosiddetto stato di Hall anomalo quantistico (QAH). Lo stato QAH è uno stato topologico interessante con la massa che rimane isolante e il bordo che conduce corrente elettrica senza dissipazione! Finora, il meccanismo di tale stato QAH è ancora in discussione. Nel lavoro, i ricercatori mostrano che un tale effetto può essere realizzato in un modello reticolare di grafene a doppio strato ritorto nel limite di accoppiamento forte, e interpretare i risultati in termini di una fase dell'isolatore di Mott topologico.

Nello specifico, i ricercatori presentano il loro studio teorico sul meccanismo di QAH guidato dalle interazioni previste di Coulomb. Impiegando ampie simulazioni di gruppi di rinormalizzazione della matrice di densità sul modello reticolare interagente, identificano una fase QAH con conduttanza di Hall di σxy=e2/h , che è separato da una fase d'onda di densità di carica isolante (striscia) da una transizione di fase quantistica del primo ordine a αc ≃ 0,12. Per calcolare la conduttanza di Hall nella fase QAH, in realtà seguono l'esperimento gedanken di Laughlin. Questo è, inserendo lentamente un flusso φ da 0 a 2π attraverso il foro del cilindro, osserviamo esattamente un elettrone che viene pompato dal bordo sinistro a quello destro, corrispondente alla conduttanza di Hall quantizzata di σxy=e2/h. Questo lavoro affronta la domanda attualmente popolare sull'origine del QAH nel grafene a doppio strato ritorto con riempimento ν=3.

La prima istanza di isolante Mott topologico

Lo stato QAH scoperto dal calcolo del modello deriva esclusivamente dalle proprietà uniche dell'interazione di Coulomb nel sistema di grafene a doppio strato ritorto ad angolo magico. Ed è il primo esempio di un tale stato quantistico topologico della materia guidato dall'interazione che è stato scoperto senza ambiguità. L'impatto di tale scoperta va anche oltre l'area del grafene a doppio strato ritorto ad angolo magico e ha risposto a una proposta nello stato topologico generico della materia un decennio fa.

Uno dei revisori, Dott. Nick Bultinck, un teorico della materia condensata dell'Università di Oxford, ha dato un voto alto del lavoro e ha detto:"Nel suo documento seminale, Haldane ha dimostrato che non è necessario un campo magnetico per far sì che gli elettroni occupino stati estesi topologicamente non banali che rispondono all'inserimento del flusso adiabatico di Laughlin producendo una corrente di Hall quantizzata. I risultati di questo lavoro mostrano che non è nemmeno necessario un termine di energia cinetica nell'Hamiltoniana perché ciò avvenga".

Infatti, non limitato al sistema di grafene a doppio strato attorcigliato, il nostro lavoro, per la prima volta, fornisce una prospettiva Mott-Hubbard per lo stato QAH guidato solo dalle interazioni. Di conseguenza, abbiamo chiarito l'annoso mistero della possibile esistenza dell'isolatore topologico di Mott (TMI), l'elemento costitutivo della cosiddetta autostrada dell'informazione per la sua capacità di trasferire elettricità e informazioni senza perdite.

Il famoso fisico cinese-americano, Il professor Shou-Cheng ZHANG (1963-2018) e i suoi collaboratori hanno proposto per la prima volta un tale stato TMI circa un decennio fa, e successivamente, vari modelli di interazione sono stati studiati da molti teorici. Tra tutti i lavori precedenti, i termini cinetici giocano un ruolo cruciale nell'emergere della QAH, e quindi, lo stato ottenuto non deve essere soprannominato "TMI". Però, il nostro modello disattiva completamente la parte cinetica e contiene solo le interazioni per produrre lo stato TMI. A questo proposito, il nostro lavoro collega i due campi essenziali della fisica della materia condensata:la topologia e la correlazione forte. Da qui è possibile accedere a un'ulteriore estensione della nostra costruzione del modello e a calcoli quantistici imparziali a molti corpi.

Impatto e direzioni future

Poiché il numero di transistor nei chip del nostro computer raddoppia ogni 18 mesi, il calore che hanno generato accompagnato dal trasferimento di elettricità sta gradualmente diventando un grave problema. La scoperta dell'effetto Hall anomalo quantistico è di grande importanza, in quanto nessuna dissipazione di energia e nessun calore viene generato nel bordo. In pratica, tale stato è l'elemento costitutivo dell'autostrada dell'informazione e promette di essere applicato nel chip di prossima generazione.

La scoperta del QAH come stato isolante Mott topologico nel nostro calcolo del modello al riempimento v=3 fa luce sulle fasi che si verificano nel grafene a doppio strato ritorto ad angolo magico. Un'ulteriore modellazione e calcolo accurati sui modelli reticolari del sistema rivelerebbero il meccanismo della superconduttività e fornirebbe una migliore sintonizzabilità di questi fenomeni esotici in questo e in altri materiali moiré quantistici 2D. Le nuove scoperte lasciano anche molte domande aperte. Per esempio, perché lo stato isolante Mott topologico è assente in altri riempimenti della struttura a bande del doppio strato ritorto ad angolo magico, come studiare e calcolare correttamente le proprietà del modello lontano dai riempimenti interi, eccetera? "Le risposte a queste domande potrebbero aiutare i fisici a demistificare completamente la magia in questo materiale e a progettare fasi più emozionanti della materia in questo e in altri materiali moiré quantistici 2D attualmente attivamente studiati". Il dottor Meng ha aggiunto, "E la nostra attività di ricerca e la nostra esperienza nei materiali quantistici 2D possono dare una spinta sostanziale a questa direzione, che sono i temi di ricerca strategica di HKU."