Электронов Дирака вернуться к жизни в магии-угол графена

В 2018 году было обнаружено, что два слоя графена переплетенные одна по отношению к другой «магический» Угол шоу множество интересных квантовых фаз, включая сверхпроводимость, магнетизм и изоляционные поведения. Теперь команда исследователей из института Вайцмана науки под руководством профессора Шахаль Ilani в физике конденсированных сред кафедра в сотрудничестве с профессором Пабло Jarillo-Эрреро группы Массачусетского технологического института, обнаружили, что эти квантовые фазы происходят от ранее неизвестных высоких энергий «метрополии» с необычным нарушение симметрии.

Графен представляет собой плоский Кристалл углерода, толщиной всего в один атом. Когда два листа из этого материала размещены на верхней части друг с другом, смещены на небольшой угол, появляется периодический «муаровый» рисунок. Этот шаблон обеспечивает искусственное решетки для электронов в материале. В этой извращенной системе двухслойных электроны приходят в четыре «блюда»: спинов «вверх» или «вниз» в сочетании с двумя «долинами», которые происходят в гексагональной решетки графена. В результате каждый сайт муар может вместить до четырех электронов, по одному каждого вкуса.

В то время как исследователи уже знали, что система ведет себя в качестве простого изолятора, когда все муара сайты полностью заполнены (четыре электрона на место), Jarillo-Herrero и его коллеги обнаружили, к своему удивлению, в 2018 году, что в определенный «магический» угол, переплетенная система также будет изолируя на другое целое число начинками (двух или трех электронов на муар сайте). Такое поведение, выставлены магическим углом витой бислоя графена (MATBG), не могут быть объяснены Единой физики элементарных частиц, и часто описывается как «коррелирует изолятор Мотта.» Еще более удивительным было открытие экзотической сверхпроводимости рядом с этими начинками. Эти выводы привели к шквал исследовательской активности стремится ответить на главный вопрос: какова природа новой экзотических государств обнаружен в MATBG и аналогичная витая систем?

Волшебство воображения-угол графена электроны с детектором углеродных нанотрубок

Команда Вейцмана задались целью понять, как электроны ведут себя в MATBG, используя уникальный тип микроскопа который использует один-электронов углеродных нанотрубок транзистор, расположенный на краю сканирующего зонда кантилевера. Этот инструмент может изображения, в реальном пространстве, электрического потенциала производится электронов в материал с высокой чувствительностью.

«Используя этот инструмент, мы можем изображения впервые ‘сжимаемость’ электронов в этой системе-то есть, как трудно втиснуть дополнительных электронов в данной точке пространства», — объясняет Ilani. «Грубо говоря, сжимаемость электронов отражает фазу они служат в России: в диэлектрик, электроны являются несжимаемыми, а в металле они сильно сжимаемы».

Сжимаемость также показывает «эффективной массы» электрона. Например, в обычном графене электроны чрезвычайно «свет», и, следовательно, ведут себя как независимые частицы, которые практически игнорируют свои электроны. В магии-угол графена, с другой стороны, электроны, как полагают, быть очень «тяжелыми» и их поведение таким образом доминируют взаимодействия с другими электронами ? факт, что многие исследователи относят к экзотическим фаз найти в этом материале. Поэтому команда Вейцмана ожидается сжимаемость, чтобы показать очень простой шаблон как функция электронного заполнения: чередующихся между сильно-сжимаемых металлов с тяжелыми электронами и несжимаемой Мотт изоляторов, которые появляются на каждом целое муар заполнение решетки.

К их удивлению, они увидели совершенно иную картину. Вместо симметричного перехода из металла в диэлектрик и обратно в металл, у них наблюдается острый, асимметричный прыжок в электронном сжимаемость возле целого начинками.

«Это означает, что природа носителей до и после этого перехода заметно отличается», — говорит ведущий автор исследования Ури Zondiner. «Перед переходом перевозчиков крайне тяжелым, и после него они, кажется, чтобы быть чрезвычайно легкий, напоминает Дираковских электронов, которые присутствуют в графене.»

Такое же поведение было замечено повторять каждый число заполнения, где тяжелые авианосцы резко сменилась и свет Дирака-как электроны вновь появились.

Но как можно такое резкое изменение в природе носителями следует понимать? Чтобы ответить на этот вопрос, команда работала вместе с Вейцманом теоретики Профс. Эрез Берг, Юваль oreg и Ады кормы, и доктор Ракель Quiroez; а также профессор Феликс фон-открой-ка в Свободном университете Берлина. Они построили простую модель, показывая, что электроны заполняют энергетические зоны в MATBG в весьма необычных «Сизифов» способом: когда электроны начинают заполнять с «Дирака точка» (точка, в которой валентной зоне и зоне проводимости просто коснуться друг друга), ведут они себя, как правило, распределяется поровну между четырьмя возможными вкусами. «Однако, когда заполняя приближается, что целое число электронов сверхрешетки на сайте муара, происходит резкий фазовый переход», — объясняет ведущий автор исследования Асаф Розен. «В этот переход, одного вкуса хватает все перевозчики от своих сверстников, ‘сброс’ их обратно на нейтральной точке Дирака.»

«Оставшиеся без электронов, три оставшихся вкуса надо начинать заправку с нуля. Так они делают, пока еще один фазовый переход происходит, когда это время один из оставшихся трех ароматов захватывает все носители от своих сверстников, толкая их обратно в квадрат один. Таким образом, электроны должны покорить гору, как Сизиф, постоянно отброшены к исходной точке, в которой они возвращаются к поведению легких электронов Дирака», — говорит Розен. Пока эта система в высшей степени симметричное состояние при низком перевозчиком пломбы, в которых все электронные ароматизаторы одинаково заселены, с последующей закачкой его испытывает каскад симметрии фазовых переходов, что многократно снизит его симметрии.

«Материнское государство»

«Что самое удивительное заключается в том, что фазовые переходы и пробуждений Дирака, что мы обнаружили появляются при температурах выше начала сверхпроводящего и коррелирует диэлектрическом наблюдается до сих пор», — говорит Ilani. «Это свидетельствует о том, что нарушенное состояние симметрии мы видели, в самом деле, ‘метрополии’ из которых более хрупкими сверхпроводящих и коррелирует изолирующий грунт государства возникают.»

Своеобразный способ, которым симметрия нарушается, имеет важные последствия для природы изолирующего и сверхпроводящего состояний в этой извращенной системы.

«Например, хорошо известно, что сверхпроводимость возникает сильнее, когда электроны тяжелее. Наш эксперимент, однако, показывает прямо противоположное: сверхпроводимость появляется в этот волшебный угол системы графен после фазового перехода возродила легкие электроны Дирака. Как это происходит, и что это говорит нам о природе сверхпроводимости в этой системе по сравнению с другими более традиционными формами сверхпроводимости остаются открытые вопросы», — говорит Zondiner.

Подобный каскад фазовых переходов, сообщается в другой статье, опубликованной в таком же вопросе природы профессор Али Яздани и коллеги из Принстонского университета. «Принстонской команды изучали MATBG, используя совершенно другой экспериментальный метод, основанный на высокочувствительный сканирующий туннельный микроскоп, так что это очень обнадеживает, чтобы увидеть, что дополнительные методы приводят к аналогичным наблюдениям», — говорит Ilani.

Вейцмана и ученые Массачусетского технологического института говорят, что они теперь будут использовать их сканировании нанотрубки одноэлектронного транзистора платформы для ответа на эти и другие основные вопросы электронов самыми разнообразными-слойной системы: какая связь между сжимаемостью электронов и их видимые свойства транспорта? Каков характер взаимосвязи государства, которые образуются в этих системах при низких температурах? И каковы основные квазичастиц, составляющих эти государства?

сделать разницу: спонсорские возможности