Due immagini di spettroscopia a 200 nm di larghezza di un campione di grafene a doppio doppio strato contorto. La sinistra raffigura il reticolo triangolare del materiale moiré, che ha una simmetria tripla e può essere ruotato di 120 gradi in qualsiasi direzione senza cambiare l'immagine. La seconda immagine è stata scattata con un'energia diversa e ora può essere ruotata solo di 180 gradi. L'emergere di strisce riflette questa simmetria rotazionale spezzata e indica una fase nematica. Credito:Carmen Rubio-Verdú
Sebbene i fogli contorti di grafene a doppio doppio strato siano stati ampiamente studiati negli ultimi anni, ci sono ancora pezzi mancanti nel puzzle che è il suo diagramma di fase:i diversi stati fondamentali indisturbati del sistema. Scrivere in Fisica della natura , Carmen Rubio-Verdú e colleghi hanno trovato un nuovo tassello del puzzle:una fase nematica elettronica.
Descritta per la prima volta in un altro stato della materia chiamato cristallo liquido, una fase nematica si verifica quando le particelle in un materiale rompono una struttura altrimenti simmetrica e arrivano ad orientarsi liberamente l'una con l'altra lungo lo stesso asse. Questo fenomeno è alla base del display LCD comunemente utilizzato nei televisori e nei monitor dei computer. In una fase nematica elettronica, le particelle in questione sono elettroni, il cui comportamento e disposizione in un materiale possono influenzare quanto bene quel materiale condurrà una corrente elettrica in direzioni diverse.
"I dati sono sorprendenti", afferma il coautore Rafael Fernandes, un fisico teorico dell'Università del Minnesota che ha incontrato l'autore senior Abhay Pasupathy come post-dottorato alla Columbia. "Puoi vedere chiaramente che c'è una simmetria rotta."
Le simmetrie rotte spesso producono nuovi effetti quantistici, ha spiegato. Il grafene a doppio doppio strato ritorto di solito ha una simmetria tripla:non importa quante volte ne ruoti un'immagine in giri di 120 gradi, rimane la stessa. Utilizzando la microscopia e la spettroscopia a tunneling a scansione per registrare le proprietà elettroniche dei singoli atomi, Rubio-Verdú e i suoi colleghi hanno registrato il grafene contorto a tensioni diverse. "Quello che vediamo sono strisce", ha detto:sono elettroni che si riallineano e rompono la simmetria del campione, anche se il reticolo atomico sottostante rimane lo stesso. In questa fase nematica osservata, l'immagine ora può essere ruotata solo di 180 gradi.
"Queste fasi derivano dalle interazioni elettrone-elettrone", ha affermato Rubio-Verdú, un Marie Skłodowska-Curie Actions Fellow che studia le fasi elettroniche nei materiali moiré come il grafene contorto con Pasupathy. "Trovare una nuova fase come questa è entusiasmante perché si aggiunge alla nostra comprensione olistica dei sistemi basati sul grafene."
Esperimenti precedenti suggerivano che esistesse una fase elettronica così correlata nel grafene contorto, ma non era chiaro se questo fosse effettivamente il risultato della deformazione attraverso il materiale contorto. Lo sforzo può anche convincere gli elettroni a muoversi, ma questo è un effetto meccanico piuttosto che elettronico, ha spiegato Rubio-Verdú. In questo esperimento, il team ha utilizzato un campione di grafene contorto che era relativamente grande ma aveva una deformazione estremamente bassa, solo lo 0,03%. "Stiamo esaminando centinaia di nanometri e l'effetto persiste", ha affermato Rubio-Verdú. "Questa è una vera e propria fase nematica elettronica."
Teoricamente, una tale fase potrebbe esistere in qualsiasi materiale a base di grafene. In un lavoro futuro, il team intende esplorare come la fase nematica influenzi la capacità del grafene a doppio doppio strato contorto di condurre una corrente elettrica.
Comprendere l'intera suite del comportamento elettronico nei materiali moiré come il grafene contorto potrebbe un giorno aiutare i fisici a dare un senso migliore a un'altra fase quantistica, la superconduttività, in cui una corrente elettrica si muove attraverso un materiale con resistenza zero. Questa fase, tuttavia, si verifica attualmente a temperature molto basse:anche i cosiddetti superconduttori ad alta temperatura, utilizzati in dispositivi come le macchine per la risonanza magnetica, devono essere mantenuti a quasi 100 ° F sotto lo zero. Sebbene i materiali moiré come il grafene contorto siano studiati a temperature prossime a -450 ° F, condividono somiglianze con i superconduttori ad alta temperatura, ha affermato Rubio-Verdú, come gli stati superconduttori e isolanti che dipendono dal drogaggio degli elettroni.
Il campo sta ancora ponendo domande fondamentali sulla natura dei materiali moiré, ma la scoperta di una fase nematica elettronica nel grafene a doppio doppio strato contorto è solo un altro pezzo di quel puzzle ora messo a punto. "Stiamo vedendo la nematicità elettronica in un'altra classe di composti", ha detto Fernandes. "Mentre le persone stanno cercando di capire tutti i tipi di modi diversi per torcere strati diversi, ora vogliamo capire cosa è comune e robusto". + Esplora ulteriormente
