Нематичность — новый элемент головоломки фазовой диаграммы

Хотя скрученные листы двойного двухслойного графена широко изучались в последние несколько лет, в е, которая является его фазовой диаграммой, все еще не хватает кусочков — различных невозмущенных основных состояний системы. Запись в Физика природы, Кармен Рубио-Верду и ее коллеги нашли новую часть головоломки: электронную нематическую фазу.


Впервые описанная в другом состоянии вещества, называемом жидким кристаллом, нематическая фаза возникает, когда частицы в материале нарушают симметричную в остальном структуру и свободно ориентируются друг с другом вдоль одной и той же оси. Это явление лежит в основе ЖК-дисплеев, обычно используемых в телевизорах и компьютерных мониторах. В электронный В нематической фазе рассматриваемыми частицами являются электроны, поведение и расположение которых в материале могут влиять на то, насколько хорошо этот материал будет проводить электрический ток в разных направлениях.

«Данные поразительны», — говорит соавтор Рафаэль Фернандес, физик-теоретик из Миннесотского университета, который познакомился со старшим автором Абхаем Пасупати в качестве постдока в Колумбийском университете. «Вы можете ясно видеть, что нарушается симметрия».

Он объяснил, что нарушение симметрии часто приводит к новым квантовым эффектам. Скрученный двойной двухслойный графен обычно имеет тройную симметрию — независимо от того, сколько раз вы поворачиваете его изображение на 120 градусов, оно остается неизменным. Используя сканирующую туннельную микроскопию и спектроскопию для регистрации электронных свойств отдельных атомов, Рубио-Верду и ее коллеги зафиксировали скрученный графен при различных напряжениях. «То, что мы видим, — это полосы», — сказала она — это электроны, перестраивающие и нарушающие симметрию образца, даже если основная атомная решетка остается неизменной. В этой наблюдаемой нематической фазе изображение теперь можно перевернуть только на 180 градусов.

«Эти фазы возникают в результате электрон-электронных взаимодействий», — сказал Рубио-Верду, научный сотрудник Марии Скёдовской-Кюри, который изучает электронные фазы в муаровых материалах, таких как скрученный графен, с Pasupathy. «Найти новую фазу, подобную этой, интересно, потому что она дополняет наше целостное понимание систем на основе графена».

Предыдущие эксперименты предполагали, что такая коррелированная электронная фаза существует в скрученном графене, но было неясно, действительно ли это было результатом деформации скрученного материала. Напряжение также может заставить электроны двигаться, но это механический, а не электронный эффект, объяснил Рубио-Верду. В этом эксперименте команда использовала скрученный образец графена, который был относительно большим, но имел чрезвычайно низкую деформацию — всего 0,03 процента. «Мы рассматриваем сотни нанометров, и эффект сохраняется», — сказал Рубио-Верду. «Это настоящая электронная нематическая фаза».

Теоретически такая фаза может существовать в любом материале на основе графена. В будущей работе команда планирует изучить, как нематическая фаза влияет на способность скрученного двойного двухслойного графена проводить электрический ток.

Понимание полного спектра электронного поведения в муаровых материалах, таких как скрученный графен, может однажды помочь физикам лучше понять другую квантовую фазу, сверхпроводимость, в которой электрический ток проходит через материал с нулевым сопротивлением. Эта фаза, однако, в настоящее время происходит при очень низких температурах — даже так называемые высокотемпературные сверхпроводники, используемые в таких устройствах, как аппараты МРТ, должны поддерживаться при температуре почти 100 ° F ниже нуля. Хотя муаровые материалы, такие как скрученный графен, изучаются при температурах около -450 ° F, они имеют сходство с высокотемпературными сверхпроводниками, сказал Рубио-Верду, например, сверхпроводящие и изолирующие состояния, которые зависят от легирования электронами.

В этой области до сих пор задаются фундаментальные вопросы о природе муаровых материалов, но открытие электронной нематической фазы в скрученном двойном двухслойном графене — лишь еще одна часть этой головоломки, которую теперь можно решить. «Мы наблюдаем электронную нематичность в другом классе соединений», — сказал Фернандес. «Поскольку люди изучают всевозможные способы скручивания разных слоев, мы теперь хотим выяснить, что является общим и надежным».