Le graphène de bicouche torsadé à angle magique (MATBG) est un matériau créé en empilant deux feuilles de graphène les unes sur les autres, avec un petit angle de torsion d'environ 1,1 °. À cet « angle magique », les électrons se déplacent très lentement, ce qui peut conduire à l'émergence d'états électroniques hautement corrélés.
En raison de ses propriétés et caractéristiques uniques, MATBG est devenu l'objet de nombreuses études ancrées dans la physique et la science des matériaux. Certains physiciens ont découvert que lorsqu'un champ magnétique externe est appliqué à MATBG, les bandes d'énergie plate dans le matériau se transforment en un modèle d'énergie de type fractal connu sous le nom de spectre Hofstadter.
Des chercheurs de l'Université de Washington, de la Florida State University et d'autres instituts ont récemment mené une étude visant à étudier plus avant l'émergence de ces modèles d'énergie dans Ultraclean Matbg.
Leur article, publié dans Physique de la naturerapporte l'observation de deux phases topologiques distinctes interagissant fortement dans le matériau, connu sous le nom d'isolateurs de Chern et d'états de hall quantique fractionnaires.
« Nos résultats étaient inattendus, venant comme un sous-produit agréable d'un autre projet », a déclaré le Dr Xiaodong Xu, auteur principal du journal, à Issues.fr.
« Depuis sa découverte en 2018, il y a eu un grand intérêt pour MATBG, en raison de ses phases quantiques exotiques de la matière, notamment la supraconductivité non conventionnelle, les nouvelles formes de ferromagnétisme et la topologie. Notre intention initiale était d'étudier les états ferromagnétiques orbitaux sous-ce que l'effet de la salle anormale dans MATBG. »
Pour mieux comprendre les états ferromagnétiques orbitaux qui pourraient sous-tendre l'effet de salle anormal précédemment rapporté dans MATBG, les chercheurs ont d'abord créé un appareil basé sur une monocouche WSE2 substrat.
Leur plan était de contrôler directement l'effet de la salle anormale dans MATBG en pompant optiquement le WSE2 avec lumière circulairement polarisée. Pour ce faire, cependant, ils devaient d'abord caractériser les propriétés de base du dispositif MATBG qu'ils ont développé.
« À notre grande surprise, notre appareil semblait être parmi les échantillons de la plus haute qualité jamais créés, ce qui donne une multitude de nouvelles données passionnantes à comprendre », a déclaré le Dr Matthew Yankowitz, un auteur co-senor de l'œuvre.
« Malgré les nombreuses nouvelles caractéristiques que nous avons observées, la compréhension de nos mesures a été un défi qui a pris plusieurs années à se fissurer. Nos résultats semblaient s'inscrire dans le cadre du Hofstadter Butterfly – une structure électronique récursive prédite pour la première fois par Douglass Hofstadter il y a plus de 50 ans et ne s'est pas réalisée uniquement au cours de la théorie existante au moment de la théorie.
Une percée dans les recherches de l'équipe s'est produite lorsque le Dr Minhao He, auteur principal du journal, a assisté à une conférence – le Symposium postdoctoral EPIQS de la Fondation de la Fondation – le Dr Xiaoyu Wang, co-dirigeant, le Dr Xiaoyu Wang. Lors de cette conférence, Wang a présenté une nouvelle théorie intéressante qui pourrait expliquer les observations expérimentales de l'équipe.
La théorie a étendu le cadre de papillon Hofstadter à un régime dans lequel de fortes interactions entre les électrons jouent un rôle important. Lors de la conférence, lui et Wang ont initié une collaboration étroite qui a abouti à la publication du récent article.
« Dans notre expérience, nous avons étudié les états de Hofstadter en interaction fortement en effectuant des mesures de transport électrique de notre échantillon MATBG à des températures de Millikelvin et dans des champs magnétiques élevés de plusieurs Teslas », a expliqué Xu.
« Nous avons ensuite comparé nos mesures avec des calculs Hartree-Fock de pointe, qui ont récemment été développés pour saisir spécifiquement le rôle des interactions dans la modification de la structure de la bande électronique et l'induction des phases de rupture de la symétrie dans MATBG sous un champ magnétique fort. »
Les expériences réalisées par les chercheurs ont conduit à deux observations importantes. Premièrement, dans leur dispositif MATBG ultra-pure, l'équipe a observé des cascades d'états topologiques connus sous le nom d'isolateurs de Thern (SBCI), de Chern (SBCI).
« Ces États sont des formes inhabituelles d'isolateurs de Tchern qui agrandisment spontanément la zone de la cellule unitaire Moiré par une valeur rationnelle », a déclaré Minhao He.
« Bien que les états de SBCI aient été précédemment observés dans MATBG, ils ne sont jusqu'à présent apparus que dans des facteurs de remplissage de Moiré apparemment aléatoires. Ce que nous avons découvert est une séquence en cascade remarquable des états SBCI, avec une séquence de numéros de Chern imitant leurs isolants de Thern corrélés aux parents. »
La deuxième réalisation notable de cette étude récente a été l'observation d'une série de Hall quantum fractionnaire (FQH) qui ne sont apparus que lorsqu'un champ magnétique fort a été appliqué à MATBG. Ces États suivent une soi-disant séquence de Jain, un modèle ou une hiérarchie dans leur émergence qui est alignée sur les prédictions de la soi-disant théorie composite de fermion.
« En contraste frappant avec les états FQH dans les systèmes de gaz électronique 2D conventionnels qui se renforcent lors de l'augmentation du champ magnétique, les états FQH observés dans notre échantillon disparaissent brusquement au-dessus d'un champ magnétique de ≈10 t », a expliqué Xu.
« Ce phénomène survient parce que la longueur magnétique effective peut s'approcher de la longueur d'onde Moiré à des champs magnétiques relativement faibles, ce qui est impossible à réaliser dans les systèmes non-Moiré 2D. »
Les mesures recueillies par les chercheurs et les calculs qu'ils ont effectués suggèrent que les états FQH observés dans leur plate-forme MATBG sont de nature non conventionnelle. Pour expliquer leur émergence, l'équipe est tirée de la théorie conçue par Wang et le Dr Oskar Vafek (co-auteur de l'ouvrage), montrant qu'ils pourraient être compris comme des isolants fractionnaires de Tchern se formant dans un domaine magnétique.
« Notre analyse de bande Hartree-Fock montre que ces états fractionnaires découlent de sous-bandes magnétiques tendues avec une bande passante finie et des propriétés géométriques quantiques non idéales et non idéales.
Les travaux récents de cette équipe de chercheurs mettent en outre le potentiel unique de MATBG pour étudier les états quantiques corrélés et les phases topologiques de la matière. De plus, il offre une nouvelle interprétation théorique pour les états quantiques émergents, qui pourraient être testés et améliorés dans les études futures.
« Une opportunité passionnante pour nos prochaines études sera d'étudier la connexion et l'interaction entre l'isolateur de Chern fractionnaire et l'effet de salle quantique fractionnaire », a ajouté Xu.
« Pendant ce temps, nous prévoyons également de poursuivre l'exploration des sondes optiques et le contrôle des états corrélés et topologiques dans l'hétérostructure de la superlatrice Moire. »
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Sadie Harley, et vérifié et révisé par Robert Egan – cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour garder le journalisme scientifique indépendant en vie. Si ce rapport vous importe, veuillez considérer un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte comme un remerciement.
