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Les électrons de Dirac reprennent vie dans le graphène à angle magique – rupture inhabituelle de la symétrie

Electrons Dirac

La transition de phase de rupture de symétrie dans le graphène à angle magique. Les quatre «saveurs» des électrons de Dirac remplissant leurs niveaux d’énergie sont représentées par quatre «liquides» remplissant des verres coniques. Crédit: Weizmann Institute of Science

Un nouvel état parent à symétrie brisée découvert en bicouche torsadée graphène.

En 2018, il a été découvert que deux couches de graphène torsadées l’une par rapport à l’autre selon un angle «magique» présentent une variété de phases quantiques intéressantes, notamment la supraconductivité, le magnétisme et les comportements isolants. Maintenant, une équipe de chercheurs de l’Institut Weizmann des sciences dirigée par le professeur Shahal Ilani du département de physique de la matière condensée, en collaboration avec le groupe du professeur Pablo Jarillo-Herrero à MIT, ont découvert que ces phases quantiques descendent d’un «état parent» de haute énergie jusque-là inconnu avec une rupture de symétrie inhabituelle.

Le graphène est un cristal plat de carbone, un seul atome épais. Lorsque deux feuilles de ce matériau sont placées les unes sur les autres, désalignées à un petit angle, un motif périodique de «moiré» apparaît. Ce motif fournit un réseau artificiel pour les électrons dans le matériau. Dans ce système bicouche torsadé, les électrons se déclinent en quatre «saveurs»: des spins «vers le haut» ou «vers le bas», combinés avec deux «vallées» qui proviennent du réseau hexagonal du graphène. En conséquence, chaque site de moirage peut contenir jusqu’à quatre électrons, un de chaque saveur.

Alors que les chercheurs savaient déjà que le système se comporte comme un simple isolant lorsque tous les sites de moirage sont complètement pleins (quatre électrons par site), Jarillo-Herrero et ses collègues ont découvert à leur grande surprise, en 2018, qu’à un angle «magique» spécifique, le système torsadé devient également isolant à d’autres remplissages entiers (deux ou trois électrons par site moiré). Ce comportement, présenté par le graphène bicouche torsadé à angle magique (MATBG), ne peut pas être expliqué par la physique des particules simples, et est souvent décrit comme un «isolant Mott corrélé». Encore plus surprenante fut la découverte d’une supraconductivité exotique proche de ces obturations. Ces résultats ont conduit à une vague d’activités de recherche visant à répondre à la grande question: quelle est la nature des nouveaux états exotiques découverts dans MATBG et des systèmes torsadés similaires?

Imagerie d’électrons de graphène à angle magique avec un détecteur de nanotubes de carbone

L’équipe Weizmann a cherché à comprendre comment les électrons en interaction se comportent dans MATBG à l’aide d’un type de microscope unique qui utilise un transistor à un seul électron en nanotubes de carbone, positionné au bord d’une sonde à balayage en porte-à-faux. Cet instrument peut imager, dans l’espace réel, le potentiel électrique produit par les électrons dans un matériau d’une extrême sensibilité.

«À l’aide de cet outil, nous avons pu imaginer pour la première fois la« compressibilité »des électrons dans ce système – c’est-à-dire la difficulté de presser des électrons supplémentaires dans un point donné de l’espace», explique Ilani. “En gros, la compressibilité des électrons reflète la phase dans laquelle ils se trouvent: dans un isolant, les électrons sont incompressibles, tandis que dans un métal, ils sont hautement compressibles.”

La compressibilité révèle également la «masse efficace» des électrons. Par exemple, dans le graphène ordinaire, les électrons sont extrêmement «légers» et se comportent donc comme des particules indépendantes qui ignorent pratiquement la présence de leurs collègues électrons. Dans le graphène à angle magique, en revanche, les électrons sont considérés comme extrêmement «lourds» et leur comportement est donc dominé par les interactions avec d’autres électrons – un fait que de nombreux chercheurs attribuent aux phases exotiques présentes dans ce matériau. L’équipe Weizmann s’attendait donc à ce que la compressibilité montre un schéma très simple en fonction du remplissage d’électrons: interchangeant entre un métal hautement compressible avec des électrons lourds et des isolants Mott incompressibles qui apparaissent à chaque remplissage de réseau moiré entier.

À leur grande surprise, ils ont observé un schéma très différent. Au lieu d’une transition symétrique du métal à l’isolant et au retour au métal, ils ont observé un saut net et asymétrique dans la compressibilité électronique près des remplissages entiers.

«Cela signifie que la nature des transporteurs avant et après cette transition est nettement différente», explique l’auteur principal de l’étude, Uri Zondiner. “Avant la transition, les porteurs sont extrêmement lourds, et après cela, ils semblent extrêmement légers, rappelant les” électrons de Dirac “présents dans le graphène.”

On a vu le même comportement se répéter près de chaque remplissage entier, où les porteurs lourds ont brusquement cédé et les électrons de type Dirac ont réapparu.

Mais comment comprendre un changement aussi brutal de la nature des transporteurs? Pour répondre à cette question, l’équipe a travaillé avec les théoriciens de Weizmann Profs. Erez Berg, Yuval Oreg et Ady Stern, et le Dr Raquel Quiroez; ainsi que le professeur Felix von-Oppen de la Freie Universität Berlin. Ils ont construit un modèle simple, révélant que les électrons remplissent les bandes d’énergie dans MATBG d’une manière très inhabituelle “Sisyphe”: lorsque les électrons commencent à se remplir à partir du “point Dirac” (le point auquel les bandes de valence et de conduction se touchent), ils se comportent normalement, étant répartis également entre les quatre saveurs possibles. “Cependant, lorsque le remplissage se rapproche de celui d’un nombre entier d’électrons par site de super-réseau moiré, une transition de phase spectaculaire se produit”, explique l’auteur principal de l’étude, Asaf Rozen. “Dans cette transition, une saveur” saisit “tous les transporteurs de ses pairs, les” réinitialisant “au point Dirac neutre en charge.”

«Laissés sans électrons, les trois saveurs restantes doivent recommencer à se recharger à partir de zéro. Ils le font jusqu’à ce qu’une autre transition de phase se produise, où cette fois l’une des trois saveurs restantes saisit tous les porteurs de ses pairs, les repoussant à la case départ. Les électrons doivent donc gravir une montagne comme Sisyphe, étant constamment repoussés au point de départ où ils reviennent au comportement des électrons légers de Dirac », explique Rozen. Alors que ce système est dans un état hautement symétrique à de faibles remplissages de porteurs, dans lesquels toutes les saveurs électroniques sont également peuplées, avec un remplissage supplémentaire, il subit une cascade de transitions de rupture de symétrie qui réduisent à plusieurs reprises sa symétrie.

Un «État parent»

«Ce qui est le plus surprenant, c’est que les transitions de phase et les renaissances de Dirac que nous avons découvertes apparaissent à des températures bien supérieures au début des états isolants supraconducteurs et corrélés observés jusqu’à présent», explique Ilani. “Cela indique que l’état de symétrie brisé que nous avons vu est, en fait,” l’état parent “à partir duquel émergent les états fondamentaux supraconducteurs et isolants corrélés les plus fragiles.”

La façon particulière dont la symétrie est rompue a des implications importantes pour la nature des états isolants et supraconducteurs dans ce système torsadé.

«Par exemple, il est bien connu que la supraconductivité est plus forte lorsque les électrons sont plus lourds. Notre expérience démontre cependant exactement le contraire: la supraconductivité apparaît dans ce système de graphène à angle magique après qu’une transition de phase a ravivé les électrons de Dirac légers. Comment cela se produit et ce qu’il nous apprend sur la nature de la supraconductivité dans ce système par rapport à d’autres formes plus conventionnelles de supraconductivité restent des questions ouvertes intéressantes », explique Zondiner.

Une cascade similaire de transitions de phase a été signalée dans un autre article publié dans le même La nature par le professeur Ali Yazdani et ses collègues université de Princeton. «L’équipe de Princeton a étudié MATBG en utilisant une technique expérimentale complètement différente, basée sur un microscope à effet tunnel à balayage très sensible, il est donc très rassurant de voir que des techniques complémentaires conduisent à des observations analogues», explique Ilani.

Les chercheurs de Weizmann et du MIT disent qu’ils vont maintenant utiliser leur plate-forme à transistor unique à nanotube à balayage pour répondre à ces questions et à d’autres sur les électrons dans divers systèmes à couches torsadées: Quelle est la relation entre la compressibilité des électrons et leurs propriétés de transport apparentes? Quelle est la nature des états corrélés qui se forment dans ces systèmes à basse température? Et quelles sont les quasi-particules fondamentales qui composent ces états?

Référence: «Cascade de transitions de phases et de renaissances de Dirac dans le graphène à angle magique» par U. Zondiner, A. Rozen, D. Rodan-Legrain, Y. Cao, R. Queiroz, T. Taniguchi, K. Watanabe, Y. Oreg , F. von Oppen, Ady Stern, E. Berg, P. Jarillo-Herrero et S. Ilani, 11 juin 2020, La nature.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2373-y

Les recherches du professeur Shahal Ilani sont soutenues par le programme de pont Sagol Weizmann-MIT; le Prix André Deloro pour la recherche scientifique; le Leona M. et Harry B. Helmsley Charitable Trust; et le Conseil européen de la recherche.