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Comprendre les états isolants du graphène torsadé

Le graphène bicouche torsadé à angle magique a récemment été découvert pour montrer la supraconductivité, ce qui a inspiré des études théoriques sur les remplissages entiers. Cependant, les études de remplissage partiel sont peu nombreuses.

​​​​​​Stady : États isolants partiellement corrélés à un tiers de l’angle magique complet du graphène bicouche. Crédit image : OliveTree / Shutterstock.com

Article publié dans Physique des communications Présenter la condition «isolant partiellement lié» de la structure orbitale à trois pics de Wannier qui est apparue lors du remplissage partiel (v) De n ± 1/3 (avec n Entier). Cette étude a montré que le remplissage d’un tiers (1/3) d’électrons dans chaque cellule de moiré entraînait des interactions à courte portée qui conduisaient à une augmentation de l’entropie due au degré de liberté « respiratoire » dû aux irrégularités du réseau causées par les lignes de faille. .

De plus, les électrons en forte interaction ont augmenté la dégénérescence et ont opté pour l’état ferromagnétique, brisant la symétrie du sous-réseau AB/BA. Ainsi, l’état diélectrique lié partiel proposé dans le présent travail peut empêcher la supraconductivité à v = 2 – 1/3 de remplissage.

Le graphène bicouche torsadé à angle magique et sa supraconductivité

Le graphène bicouche torsadé est fabriqué en empilant deux monocouches de graphène avec un angle de torsion spécifique (θ). Dans cette structure, on observe que le motif moiré apparaît à une fréquence plus élevée.

Récemment, du graphène bicouche torsadé avec des propriétés optiques et électroniques inhabituelles a souvent été signalé, résultat de l’évolution des motifs de moiré. Les fortes interactions électroniques au niveau des petits domaines formés dans les réseaux d’ondulation du super-réseau du graphène bicouche torsadé en font une excellente plate-forme pour l’étude d’états hautement corrélés.

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Dans la plupart des systèmes, des états corrélés apparaissent lorsque le réseau moiré est rempli d’un nombre entier d’électrons par cellule unitaire moirée. Les résultats expérimentaux sur le ferromagnétisme orbital, d’autres polarisations d’isospin et les tendances nématiques ont conduit à des progrès significatifs.

Cependant, les études de remplissage partiel ont été moins explorées, bien que les diagrammes de phase aient révélé des phénomènes potentiellement complexes lors du remplissage partiel, tels que la suppression de la supraconductivité près du remplissage v = 2-1/3.

D’un point de vue théorique, l’intérêt du remplissage entier découle de la complexité du graphène à deux couches à angle magique torsadé. De plus, les résultats expérimentaux ont révélé que le graphène bicouche torsadé à angle magique présente un super-réseau triangulaire centré sur les orbites de Waner, qui est gêné par la topologie et la symétrie des fonctions d’onde de Bloch.

Au lieu de cela, les trois lobes de la fonction d’onde s’étendent jusqu’aux trois sites AA proches, et les orbites de Wannier sont centrées sur les sites AB ou BA. Les orbites étendues de Wannier rendent difficile la construction d’un modèle local car il nécessite l’inclusion d’interactions et d’éléments de navigation à longue portée.

Bicouche de graphène torsadée remplie d’un tiers d’angle magique

Les chercheurs précédents ont détecté une diminution de la supraconductivité à ν = 2 – 1/3, qui s’inspire de la diminution de la supraconductivité dans les cuprates lors du remplissage partiel proportionnel de 1/8 de trous par niveau d’oxyde de cuivre. Cette diminution de la supraconductivité amène le système à s’isoler même aux températures les plus basses.

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L’étude actuelle s’est concentrée sur les effets des orbites de Wanner et des occlusions de Wanner dans le graphène bicouche à angle magique torsadé à ν = 1/3 d’électrons par cellule unitaire. La limite de couplage fort permet de définir le problème courant du problème de pavage.

Cette cartographie a permis de confirmer la large décroissance de l’état fondamental de 1/3, qui était confinée aux interactions à courte portée. Les simulations de Monte Carlo ont aidé à identifier plusieurs états fondamentaux à des températures plus basses dans le modèle sans contact, ce qui était cohérent avec la large dégénérescence attendue.

Contrairement au krypton adsorbé sur du graphite, le modèle fini «sans contact» des interactions locales n’a aucun hamiltonien car les lignes de permutation et les jonctions Y n’utilisent aucune énergie. L’interaction de Coulomb à longue portée et densité ne perturbera pas la dégénérescence car elle se compose d’états avec la même densité de charge uniforme mais différentes dispositions d’état de Wannier.

conclusion

En résumé, le présent travail a révélé un mécanisme d’état isolant partiellement corrélé symétrique dans l’angle magique du graphène bicouche torsadé. L’effet significatif de l’obstruction de Wannier dans le graphène torsadé à angle magique était dû à la non-compression des états n ± 1/3.

L’interaction la plus courte a favorisé une distribution de charge uniforme, avec un tiers de la charge concentrée sur chaque site AA, le poids des orbitales de Wannier étant divisé en trois lobes, ce qui a entraîné un remplissage fractionné.

Cette étude a démontré qu’une contrainte sans contact à courte portée impliquerait à elle seule une entropie à grande échelle en corrélant le modèle avec le problème de coupe en mosaïque. L’arrangement ferromagnétique a été favorisé par d’autres interactions de gamme, équivalentes à l’échange direct.

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L’échange direct a augmenté la dégénérescence et a choisi un état complexe qui a détruit la symétrie des sous-réseaux AB/BA et C.3 Une symétrie de rotation. En plus de l’arrangement ferromagnétique, le graphène bicouche torsadé présente un arrangement antiferromagnétique des centres AB / BA Wannier. Par conséquent, cette étude s’est concentrée sur les interactions d’échange et de saut en tant que perturbations pour obtenir des résultats sur la mitose dégénérative.

référence

Chang, K, Chang, Y, Fu, L, Kim, EA. (2022). États isolants partiellement corrélés à un tiers de l’angle magique rempli du graphène bicouche. Physique des communications. https://www.nature.com/articles/s42005-022-01027-6#Abs1

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Delphine Perrault

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