Magic-angle скрученный бислойный графен (MATBG) — это материал, созданный путём наложения двух слоёв графена друг на друга с небольшим углом скручивания около 1,1°. При этом «магическом угле» электроны движутся очень медленно, что может привести к возникновению высококоррелированных электронных состояний.
Благодаря своим уникальным свойствам MATBG стал предметом многочисленных исследований в области физики и материаловедения. Некоторые физики обнаружили, что при приложении внешнего магнитного поля к MATBG плоские энергетические зоны в материале преобразуются во фракталоподобный энергетический узор, известный как спектр Хофштадтера.
Исследователи из Вашингтонского университета, Университета штата Флорида и других институтов недавно провели исследование, направленное на дальнейшее изучение возникновения этих энергетических узоров в сверхчистом MATBG.
Их статья, опубликованная в Nature Physics, сообщает о наблюдении двух различных топологических фаз с сильным взаимодействием в материале, известных как целочисленные изоляторы Черна и дробные состояния квантового эффекта Холла.
«Наши результаты были неожиданными, появившись как приятный побочный продукт другого проекта», — рассказал Phys.org доктор Сяодонг Сюй, старший автор статьи.
«С момента своего открытия в 2018 году MATBG вызывает большой интерес благодаря своим экзотическим квантовым фазам вещества, включая нетрадиционную сверхпроводимость, новые формы ферромагнетизма и топологию. Нашей первоначальной целью было изучение орбитальных ферромагнитных состояний, лежащих в основе аномального эффекта Холла в MATBG».
Для лучшего понимания орбитальных ферромагнитных состояний, которые могут лежать в основе аномального эффекта Холла, ранее зарегистрированного в MATBG, исследователи сначала создали устройство на основе монослойной подложки WSe₂.
Их план состоял в том, чтобы напрямую управлять аномальным эффектом Холла в MATBG путём оптической накачки WSe₂ циркулярно поляризованным светом. Однако для этого им сначала необходимо было охарактеризовать основные свойства устройства MATBG, которое они разработали.
«К нашему удивлению, наше устройство оказалось одним из образцов высочайшего качества, созданных за всё время, что позволило получить множество интересных новых данных для понимания», — сказал доктор Мэттью Янковиц, соавтор-руководитель работы.
«Несмотря на множество новых особенностей, которые мы наблюдали, понимание наших измерений было сложной задачей, на решение которой ушло несколько лет. Наши результаты, казалось, соответствовали структуре бабочки Хофштадтера — рекурсивной электронной структуре, впервые предсказанной Дугласом Хофштадтером более 50 лет назад и реализованной только в последние годы с появлением муаровых материалов, — однако детали были слишком сложны, чтобы их можно было охватить какой-либо существующей теорией того времени».
Прорыв в исследовании команды произошёл, когда доктор Минхао Хэ, ведущий автор статьи, посетил конференцию — симпозиум постдокторантов фонда Мура EPiQS вместе с соавтором-руководителем доктором Сяоюй Ван. На этой конференции Ван представил новую интересную теорию, которая могла объяснить экспериментальные наблюдения команды.
Теория расширила рамки бабочки Хофштадтера до режима, в котором сильные взаимодействия между электронами играют важную роль. На конференции Хэ и Ван инициировали тесное сотрудничество, которое завершилось публикацией недавней статьи.
«В нашем эксперименте мы изучали сильно взаимодействующие состояния Хофштадтера, выполняя измерения электрического транспорта на нашем образце MATBG при милликельвиновских температурах и в высоких магнитных полях в несколько тесла», — пояснил Сюй.
«Затем мы сравнили наши измерения с современными расчётами Хартри-Фока, которые были недавно разработаны для конкретного учёта роли взаимодействий в изменении зонной структуры и индуцировании фаз нарушения симметрии в MATBG в сильном магнитном поле».
Эксперименты, проведённые исследователями, привели к двум важным наблюдениям. Во-первых, в их сверхчистом устройстве MATBG команда наблюдала каскады топологических состояний, известных как целочисленные изоляторы Черна с нарушением симметрии (SBCI).
«Эти состояния представляют собой необычные формы целочисленных изоляторов Черна, которые спонтанно увеличивают площадь муаровой элементарной ячейки на рациональное значение», — сказал Минхао Хэ.
«Хотя состояния SBCI ранее наблюдались в MATBG, до сих пор они появлялись только при кажущихся случайными коэффициентах заполнения муаровых узоров. Мы обнаружили замечательную последовательность каскадов состояний SBCI с последовательностью чисел Черна, имитирующей их родительские коррелированные изоляторы Черна».
Вторым заметным достижением этого недавнего исследования стало наблюдение серии дробных состояний квантового эффекта Холла (FQH), которые появлялись только при приложении сильного магнитного поля к MATBG. Эти состояния следуют так называемой последовательности Джайна — закономерности или иерархии их появления, соответствующей предсказаниям так называемой теории составных фермионов.
«В отличие от состояний FQH в обычных двумерных системах электронного газа, которые усиливаются при увеличении магнитного поля, наблюдаемые в нашем образце состояния FQH резко исчезают при магнитном поле ≈10 Тл», — пояснил Сюй.
«Это явление возникает потому, что эффективная магнитная длина может приближаться к длине волны муарового узора при относительно низких магнитных полях, чего невозможно достичь в двумерных системах без муарового узора».
Измерения, собранные исследователями, и проведённые ими расчёты показывают, что наблюдаемые в их платформе MATBG дробные состояния имеют необычный характер. Чтобы объяснить их возникновение, команда использовала теорию, разработанную Ваном и доктором Оскаром Вафеком (соавтором-руководителем работы), показав, что их можно понять как дробные изоляторы Черна, формирующиеся в магнитном поле.
«Наш анализ зон Хартри-Фока показывает, что эти дробные состояния возникают из напряжённых магнитных подзон с конечной полосой пропускания и неоднородными, неоптимальными квантово-геометрическими свойствами. Эта необычная квантово-геометрическая структура указывает на потенциальное описание этих состояний в рамках индуцированных магнитным полем FCI», — пояснил Вафек.
Недавняя работа этой группы исследователей ещё раз подчёркивает уникальный потенциал MATBG для изучения коррелированных квантовых состояний и топологических фаз вещества. Кроме того, она предлагает новую теоретическую интерпретацию возникающих квантовых состояний, которую можно проверить и улучшить в будущих исследованиях.
«Захватывающей возможностью для наших следующих исследований будет изучение связи и взаимодействия между дробным изолятором Черна и дробным квантовым эффектом Холла», — добавил Сюй.
«Тем временем мы также планируем продолжить изучение оптических зондов и управления коррелированными и топологическими состояниями в гетероструктурах муаровой сверхрешётки».