Detección directa de una transición de fase topológica a través de un cambio de signo en un dipolo de flexión de Berry

La curvatura de Berry y el número de Chirn son características topológicas críticas del origen de la mecánica cuántica que caracterizan la función de onda de los electrones de los materiales. Estos dos elementos juegan un papel muy importante en la determinación de las propiedades de ciertos materiales.

Si bien muchos estudios han intentado identificar el método de Berry curvatura El número de Chern afecta las propiedades de los materiales y su detección en un entorno experimental puede ser muy difícil. El grafeno bicapa retorcido, un material que consiste en dos cristales de grafeno bicapa apilados, es una plataforma particularmente prometedora para manipular la curvatura de Berry y los números del valle de Chirn a partir de bandas topológicas planas y, por lo tanto, estudiar sus efectos.

Investigadores del Instituto Tata de Investigación Fundamental, el Instituto Indio de Tecnología y el Centro Jawaharlal Nehru de Investigación Científica Avanzada han estado examinando las propiedades ajustables del grafeno bicapa retorcido durante más de tres años. En su estudio más reciente, aparecieron en Física de la naturalezapudieron detectar directamente una transición topológica en una red de muaré sobrenadante al controlar el cambio de signo en la curvatura del dipolo de Berry.

Este documento se basa en el trabajo anterior del profesor Mandar Deshmukh centrado en el grafeno bicapa retorcido. En uno de sus estudios anteriores, por ejemplo, los investigadores presentaron estrategias para detectar la curvatura de Berry y luego las aplicaron en sus experimentos recientes.

“Antes de que empezáramos a trabajar en este proyecto, el grupo del profesor Amit Agarwal estaba investigando teóricamente varios Contribuciones de Hall debidas a los efectos de la mecánica cuánticaSubhajit Sinha, uno de los investigadores que realizó el estudio, le dijo a Phys.org. En la víspera de Navidad de 2020, nos escribió sobre la medición del efecto Hall no lineal en nuestras muestras. Una de nuestras muestras de grafeno bicapa retorcido estaba fría en un dispositivo de rima, por lo que decidimos recopilar medidas y ver si teníamos alguna. Es posible que algunas de las estrellas se hayan alineado, ¡porque ya hemos medido algunas señales! «

Después de validar sus observaciones y mediciones iniciales mediante la realización de varias validaciones cruzadas, el equipo pudo determinar con un alto grado de certeza que, de hecho, habían medido el efecto Hall cuántico no lineal en la muestra de grafeno bicapa retorcida. Luego realizaron más análisis en colaboración con el grupo de investigación del profesor Amit para demostrar que observaron directamente un cambio topológico.

En sus experimentos recientes, el grupo del profesor Mandar en TIFR midió el potencial de Hall no lineal en una muestra de grafeno bicapa retorcida. Este es un voltaje no lineal que puede ser impulsado por un plano vertical corriente eléctrica En la medida Hall-Bar.

“Por lo general, el voltaje de Hall se desarrolla perpendicular al flujo de corriente cuando campo magnético externo Se aplica perpendicular al plano de la muestra. «Sinha explicó». Curiosamente, El trabajo teórico pionero de Sodemann y Fu demostró que también se puede obtener voltaje de Hall en ausencia de un campo magnético incluso en materiales no magnéticos debido a las bandas topológicas.Y medimos ese esfuerzo”.

El efecto combinado de una curvatura distinta de cero con pequeñas cantidades de tensión en un sistema de grafeno bicapa retorcido puede dar lugar a lo que se conoce como «curvatura dipolar de Berry». Esta medición única genera un voltaje Hall no lineal que se mide en forma cuadrática con la corriente aplicada a una muestra de material.

«Aplicamos corriente de baja frecuencia y medimos el voltaje Hall al doble de la frecuencia de la corriente aplicada para detectar el voltaje Hall no lineal», dijo Sinha. «A continuación, utilizamos un análisis de escala para detectar un cambio de signo en la curvatura del dipolo de Berry, lo que indica una transición topológica».

Es muy difícil detectar transiciones de fase topológicas experimentalmente. Sin embargo, varios estudios teóricos y experimentales han insinuado recientemente un cambio en la topología de los dominios del grafeno de doble capa retorcido. El trabajo reciente del equipo proporciona una observación de primera mano de esta transición en un entorno experimental.

«Usando medidas de transporte, detectamos directamente esta transición topológica a través de un cambio de signo en el dipolo de flexión de Berry», explicó Sinha. «Esto nos brinda un tratamiento experimental para el sondeo simultáneo de la física de conjuntos geométricos y las transiciones de fase topológicas».

Los resultados recogidos por este equipo de investigadores podrían tener implicaciones muy importantes para el estudio de las transiciones de fase topológicas en la doble capa retorcida. grafeno. En el futuro, los métodos que usaron podrían ayudar a descubrir cambios topológicos en otros materiales y sistemas.

«Una dirección futura inmediata de nuestro trabajo podría ser usar nuestra tecnología para mapear la transición de fase en función del ángulo de torsión o el orden de apilamiento», agregó Sinha. «Además, esperamos que nuestro método también se pueda simular en otros materiales 2D o incluso 3D para caracterizar transiciones topológicas similares. En general, el interés de investigación en efectos Hall no lineales está creciendo debido a sus muchas ventajas, una de las cuales es verificar la propiedades geométricas y topológicas de barras de los materiales. Tendremos que esperar y ver las formas interesantes en que las influencias no lineales pueden entrar en juego a medida que surgen».

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