Il grafene a doppio strato contorto ad angolo magico è un materiale composto da due fogli di grafene posti uno sopra l'altro, con un foglio attorcigliato esattamente a 1,05 gradi rispetto all'altro. Questo materiale è risultato essere una piattaforma molto promettente per lo studio di diverse fasi della materia, poiché combina fasi metalliche, superconduttive, magnetiche e isolanti in un unico cristallo.

È noto che il grafene a doppio strato contorto ad angolo magico supporta bande di energia piatte con proprietà topologiche a cui è possibile accedere in condizioni specifiche. Studi recenti hanno scoperto che forti interazioni possono isolare queste bande topologiche, consentendo al sistema di supportare i cosiddetti stati fondamentali dell'isolante Chern. Negli stati fondamentali dell'isolante Chern, la maggior parte del materiale è isolante, tuttavia gli elettroni possono propagarsi lungo i bordi senza dissipare il calore.

I ricercatori dell'Università di Harvard, del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e del National Institute for Materials Science in Giappone hanno recentemente condotto uno studio volto a studiare gli stati fondamentali dell'isolante Chern nel grafene a doppio strato contorto. Il loro articolo, pubblicato su Nature Physics , fornisce la prova dell'esistenza di una sequenza di stati incomprimibili con numeri Chern imprevisti in questo affascinante materiale.

"Mentre gli isolanti Chern riportati fino ad oggi seguono una semplice sequenza corrispondente alla rottura della simmetria spin-valle, il nostro articolo riporta numerosi nuovi isolanti Chern in cui le interazioni elettrone-elettrone rompono la simmetria di traslazione del reticolo", Andrew Pierce, uno dei ricercatori che condotto lo studio, ha detto a Phys.org .

Pierce e i suoi colleghi hanno raccolto una serie di misurazioni utilizzando un microscopio a scansione a transistor a singolo elettrone. Questo strumento può essere un rilevatore locale di carica elettrica estremamente sensibile.

"Sfruttiamo la risoluzione spaziale del nostro microscopio per identificare le regioni più incontaminate e prive di disordine del dispositivo, dove osserviamo le firme di fragili stati isolanti topologici che non sono visibili nelle misurazioni di resistività", ha affermato Yonglong Xie, coautore di lo studio.

Nei loro esperimenti, Pierce e i suoi colleghi hanno svelato una sequenza di stati incomprimibili con numeri Chern inaspettati osservati fino a un campo magnetico zero. Inoltre, hanno scoperto che i numeri di Chern per otto di questi stati non possono essere catturati da teorie in cui le bande nel grafene a doppio strato contorto ad angolo magico sono riempite in sequenza. I ricercatori hanno dimostrato che l'emergere di queste fasi insolite potrebbe essere una conseguenza di una simmetria di traslazione interrotta.

"La consapevolezza che nel grafene ad angolo magico sono presenti insoliti stati rotti di simmetria traslazionale espande il repertorio di comportamenti correlati e topologici in questo sistema", ha affermato Pablo Jarillo-Herrero, Cecil e Ida Green Professor of Physics al MIT. "In effetti, tali stati rotti di simmetria traslazionale sono onnipresenti nei materiali quantistici, ma possono essere studiati in modo molto più dettagliato nel grafene ad angolo magico, che potrebbe portare a una comprensione fondamentale più profonda della loro origine, con lezioni che potrebbero essere ampiamente applicabili ad altri materiali correlati."

In futuro, i risultati raccolti da questo team di ricercatori potrebbero avere importanti implicazioni per lo studio degli stati dell'isolante Chern nel grafene a doppio strato contorto ad angolo magico, nonché per la rottura della simmetria in altri materiali, come l'alta T _c superconduttori. Nel complesso, questo studio estende in modo significativo il diagramma di fase noto del grafene a doppio strato contorto ad angolo magico e fa luce sulla possibile origine della stretta competizione tra diverse fasi correlate al suo interno.