Cascada de fases topológicas en el grafeno bicapa rotado con ángulo mágico sobre diseleniuro de wolframio

Por Francisco R. Villatoro, el 26 mayo, 2021. Categoría(s): Ciencia • Física • Nanotecnología • Nature • Noticias • Physics • Science

El grafeno bicapa rotado con ángulo mágico (MATBG) muestra varias fases debidas a las interacciones electrón-electrón. Entre ellas destacan las fases topológicas con número de Chern no nulo. Se publicó en Nature  la observación mediante microscopia de efecto túnel (STM) de seis fases topológicas del MATBG con números de Chern C = ±3, ±2, ±1; se observan para niveles enteros de llenado y su origen es una cascada de roturas de simetría mediadas por las correlaciones electrónicas. El número de Chern se calcula a partir de la pendiente de las curvas lineales que se observan en los abanicos de Landau; estos abanicos son resultado de los niveles electrónicos de Landau que aparecen al aplicar un campo magnético intenso a un átomo. Las nuevas fases topológicas solo se observan para ángulos muy próximos al ángulo mágico (θ ≈ 1.1°), lo que las diferencia de los niveles de Landau cerca del punto de neutralidad de carga (que presentan número de Chern C = ±4). Las fases topológicas del MATBG abren nuevas puertas al estudio de los materiales twistrónicos.

En el MATBG las cuasipartículas (electrones y huecos) se concentran en los puntos AA de la superred de moiré, separados por grandes distancias comparadas con la separación de los átomos de carbono en la red del grafeno. Los niveles cuantizados de Landau aparecen porque las cuasipartículas se mueven en órbitas de tipo ciclotrón bajo el efecto del campo magnético aplicado; como dependen linealmente de la frecuencia ciclotrón, que es proporcional al campo magnético, se observan los abanicos de Landau para la densidad local de estados (LDOS). Estos permiten confirmar el valor del ángulo mágico (con un error de 0.01°) y muestran supresiones abruptas para los niveles de llenado enteros ν = ±1, ±2, +3, en los que aparecen estados aislantes; la supresión se observa para ν > 0 con campos B > 3 T y para ν < 0 con B > 6 T.

La cascada de fases topológicas al aplicar un campo magnético al MATBG es una nueva sorpresa en el campo de la twistrónica. El artículo es Youngjoon Choi, Hyunjin Kim, …, Stevan Nadj-Perge, «Correlation-driven topological phases in magic-angle twisted bilayer graphene,» Nature (18 Jan 2021), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-020-03159-7, arXiv:2008.11746 [cond-mat.str-el] (26 Aug 2020). Estas fases topológicas también han sido observadas en Kevin P. Nuckolls, Myungchul Oh, …, Ali Yazdani, «Strongly correlated Chern insulators in magic-angle twisted bilayer graphene,» Nature 588: 610-615 (14 Dec 2020), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-020-3028-8, arXiv:2007.03810 [cond-mat.mes-hall] (07 Jul 2020), y en Jeong Min Park, Yuan Cao, …, Pablo Jarillo-Herrero, «Tunable strongly coupled superconductivity in magic-angle twisted trilayer graphene,» Nature 590: 249-255 (01 Feb 2021), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-021-03192-0, arXiv:2012.01434 [cond-mat.supr-con] (02 Dec 2020).

También recomiendo Cheng Shen, Jianghua Ying, …, Guangyu Zhang, «Emergence of Chern insulating states in non-Magic angle twisted bilayer graphene,» Chinese Physics Letters 38: 047301 (09 Mar 2021), doi: https://doi.org/10.1088/0256-307X/38/4/047301, arXiv:2010.03999 [cond-mat.mes-hall] (08 Oct 2020), y Andrew T. Pierce, …, Pablo Jarillo-Herrero, Amir Yacoby, «Unconventional sequence of correlated Chern insulators in magic-angle twisted bilayer graphene,» arXiv:2101.04123 [cond-mat.mes-hall] (11 Jan 2021).

Fuente: Choi et al. Nature (2021), doi: 10.1038/s41586-020-03159-7.

La clave que ha permitido observar las nuevas fases topológicas es el uso de una monocapa de diseleniuro de wolframio (WSe2) bajo el MATBG —a su vez apoyada sobre una nanocapa dieléctrica de nitruro de boro hexagonal (hBN) y una puerta de grafito—. La monocapa de WSe2 facilita que el MATBG tenga un ángulo mágico más homogéneo en toda su superficie sin afectar a sus estados electrónicos (si se apoyara el MATBG sobre hBN se observaría mayor heterogeneidad en el ángulo mágico); la razón es que las constantes de red del WSe2 y del grafeno son muy diferentes (a diferencia del hBN), por lo que no se rompe la simetría C2 (de hecho no se observa ninguna rotura de esta simetría en las medidas con STM de la LDOS).

La conductancia se ha medido usando un microscopio de efecto túnel que recorre la superficie del MATBG; se mide la conductancia túnel diferencial entre el punta (STM tip) y la muestra (dI/dV), que representa la densidad local de estados (dI/dV ∝ LDOS); el resultado es función de la diferencia de potencial entre la punta y la muestra (Vbias), y del voltaje de puerta (Vgate), que se usa para dopar con electrones el MATBG. El MATBG presenta una red de moiré triangular con un periodo Lm = a/(2 sin(θ/2)) ≈ 13 nm, para un ángulo de giro θ ≈ 1.1° y una constante de red para el grafeno de a = 0.246 nm. Los estados electrónicos se concentran en los puntos AA de la red de moiré.

Fuente: Choi et al. Nature (2021), doi: 10.1038/s41586-020-03159-7.

Los abanicos de Landau permiten estimar el ángulo de giro cerca del ángulo mágico, alcanzando una precisión de hasta 0.01°. Para verificarlo se ha medido la distancia entre los puntos AA y AB en las imágenes topográficas del STM del MATBG, el método estándar para determinar el ángulo mágico a lo largo de la muestra.  Esta figura muestra las observaciones para un región de 20 nm × 200 nm en la que el ángulo de giro varía de forma continua desde θ = 1.01° hasta 1.18° usando un Vbias = 0 mV, pero cambiando la densidad de portadores variando el voltaje de puerta (Vgate). Se observan estados con números de Chern C = ±3, ±2, ±1 (destacan los estados para C = −1 y νLL = ±1, ±3 (el sufijo LL significa niveles de Landau), gracias a la alta resolución en el voltaje de puerta Vgate).

Fuente: Choi et al. Nature (2021), doi: 10.1038/s41586-020-03159-7.

En el punto de neutralidad de carga (CNP), para un nivel de llenado ν = 0 se observan dos picos en dI/dV que corresponden a dos picos en la LDOS que se originan en sendas singularidades de van Hove (VHS) en las bandas planas de la estructura electrónica. Recuerda que una singularidad de van Hove es un cambio brusco en el signo de la derivada de la LDOS (o sea, un pico que no es suave); en las figuras para la conductividad, como la mostrada, se observa como un cambio brusco entre una zona de color azul a una de color rojo oscuro que luego retorna a color azul; en la figura de la izquierda (para B = 0 T) se observan dos VHS, una en la banda de valencia (por debajo del nivel de Fermi, Vbias = 0 mV) y otra en la de conducción (por encima del nivel de Fermi).

Fuente: Park et al. Nature (2021), doi: 10.1038/s41586-021-03192-0.

Las singularidades de van Hove se llaman singularidades porque en ellas diverge la derivada de la densidad de estados. Esta figura de un reciente artículo de Pablo Jarillo-Herrero se muestra claramente un esquema de las VHS en la densidad de llenado (y cómo cambian en función del desplazamiento eléctrico D); en las figuras de la derecha se observan muy bien los saltos brusco en la densidad de estados asociados a estas singularidades (las zonas sombreadas en morado son regiones superconductoras).

Fuente: Choi et al. Nature (2021), doi: 10.1038/s41586-020-03159-7.

Las nuevas fases topológicas permiten estimar de forma experimental el ángulo de giro de una muestra. Para ello se usa un diagrama de fases como el mostrado en la figura. Por ejemplo, la fase C = −3 a partir del punto de llenado ν = −1 solo se observa para ángulos 1.02° < θ < 1.14° para B = 7 T, mientras que la fase C = −2 es estable en un rango más amplio. Esta aplicación de las nuevas fases topológicas es la que me parece más interesante, desde el punto de vista básico, en twistrónica.



Deja un comentario