Топологическая модель тяжелых фермионов. (а) Эскиз муаровой элементарной ячейки MATBG и его аналога с тяжелыми фермионами, где локальные моменты и блуждающие электроны образованы эффективными f -орбиталями в областях AA - стэкинга и топологических зонах проводимости ( c ) соответственно. (б) Зонная структура модели БМ при магическом угле θ=1.05°, где муаровая ЗБ и импульсы высокой симметрии показаны на верхней врезке. Перекрытия между блоховскими состояниями и пробными ВФ представлены красными кружками. Профиль плотности построенных максимально локализованных ВФ ( f - орбиталей) показан на нижней врезке. (c) Полосы, заданные топологической моделью тяжелых фермионов (черные линии), в сравнении с полосами BM (синие кресты). c (синий) иf -полосы (красные) в несвязанном пределе, где γ=v′ ⋆ =0, показаны на вставке. Оранжевые пунктирные линии показывают эволюцию энергетических уровней при включении f-c- связи. Авторы и права: Письма с физическим обзором (2022 г.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.047601

В своей статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, Чжи-Да Сонг и Б. Андрей Берневиг описывают создание модели, чтобы показать аспекты модели Бистритцера-Макдональда, а затем использовали ее для демонстрации характеристик скрученного двухслойного графена. Алин Рамирес из Института Пауля Шеррера опубликовала в журнале Nature статью «Новости и взгляды», в которой рассказывается о работе Берневига и Сонга.

Графен представляет собой плоский двумерный лист углерода и является предметом серьезных исследований. Одна исследовательская работа четыре года назад заключалась в том, чтобы поместить один лист графена поверх другого, а затем скрутить верхний лист. После долгих проб и ошибок эти исследователи обнаружили, что скручивание верхнего листа на определенную величину (1,05 градуса) приводит к созданию сверхпроводника. Это привело к тому, что они назвали искривленную величину «магическим углом».

С тех пор другие исследователи изучают свойства скрученного двухслойного графена, выровненного под магическим углом. В этой новой работе исследователи изучили его спектры возбуждения и обнаружили, что они соответствуют параметрам фермионной модели.

Предыдущая работа показала, что скрученный двухслойный графен при правильной ориентации приобретает некоторые уникальные свойства — например, один набор электронов перемещается, что объясняет его проводимость. Но другой набор электронов остается фиксированным. Две противоречивые характеристики материала позволяют ученым поставить образец между изолятором и сверхпроводником.

Чтобы лучше понять, почему это происходит, Сонг и Берневиг создали модель системы, а затем использовали ее для проведения точных расчетов, описывающих поведение материала. Они обнаружили, что могут описать структуру скрученного двухслойного графена по сравнению с материалами с тяжелыми фермионами. Дальнейшая работа показала, что параметры материала прямо соответствуют параметрам модели тяжелых фермионов. Материалы с тяжелыми фермионами находятся в нижней части периодической таблицы.