Прямое обнаружение топологического фазового перехода по смене знака диполя кривизны Берри
Исследователи из Института фундаментальных исследований Тата, Индийского технологического института и Центра перспективных научных исследований имени Джавахарлала Неру уже более трех лет изучают настраиваемые свойства скрученного двойного двухслойного графена. В своем последнем исследовании, опубликованном в журнале Nature Physics, они смогли напрямую обнаружить топологический переход в муаровой сверхрешетке, контролируя изменение знака диполя кривизны Берри.
Схема напряжённого скрученного двойного двухслойного графена (TDBG). Два двухслойных слоя графена при повороте друг над другом на небольшой угол θ создают большие шестиугольные ячейки муара. Коричневой линией очерчена одна такая муаровая ячейка. Напряжение искажает муаровые ячейки. Кредит: Синха и др.
Кривизна Берри и число Черна являются важнейшими топологическими свойствами квантово-механического происхождения, характеризующими электронную волновую функцию материалов. Эти два элемента играют очень важную роль в определении свойств конкретных материалов.
Хотя многие исследования пытались определить, как кривизна Берри и число Черна влияют на свойства материалов, обнаружить их в экспериментальных условиях может быть очень сложно. Скрученный двойной двухслойный графен, материал, состоящий из двух уложенных друг на друга двухслойных кристаллов графена, является особенно многообещающей платформой для управления кривизной Берри и числами долины Черна топологических плоских зон и, таким образом, для изучения их эффектов.
Исследователи из Института фундаментальных исследований Тата, Индийского технологического института и Центра перспективных научных исследований имени Джавахарлала Неру уже более трех лет изучают настраиваемые свойства скрученного двойного двухслойного графена. В своем последнем исследовании, опубликованном в журнале Nature Physics, они смогли напрямую обнаружить топологический переход в муаровой сверхрешетке, контролируя изменение знака диполя кривизны Берри.
Эта статья основана на предыдущих работах профессора Мандара Дешмукха, посвященных искривленному двойному двухслойному графену. Например, в одном из своих прошлых исследований исследователи представили стратегии для обнаружения кривизны Берри, которые они затем применили в своих недавних экспериментах.
«Прежде чем мы начали работать над этим проектом, группа профессора Амита Агарвала теоретически изучала различные вклады Холла из-за квантово-механических эффектов », — сказал Phys.org Субхаджит Синха, один из исследователей, проводивших исследование. «В канун Рождества 2020 года он написал нам по поводу измерения нелинейного эффекта Холла в наших образцах. Один из наших образцов скрученного двойного бислойного графена был холодным в криостате, поэтому мы решили собрать на нем измерения и посмотреть, получится ли что-нибудь. Возможно, некоторые звезды сошлись, потому что мы действительно измерили какой-то сигнал!"
После того, как они подтвердили свои первоначальные наблюдения и измерения, выполнив несколько перекрестных проверок, команда смогла определить с высокой степенью уверенности, что они действительно измерили нелинейный квантовый эффект Холла в образце скрученного двойного двухслойного графена. Затем они провели другие анализы в сотрудничестве с исследовательской группой профессора Амита, чтобы продемонстрировать, что они непосредственно наблюдали топологический переход.
В своих недавних экспериментах группа профессора Мандара из TIFR специально измерила нелинейное напряжение Холла в образце скрученного двойного двухслойного графена. Это нелинейное напряжение, которое может быть вызвано перпендикулярным электрическим током в плоскости при измерении по шкале Холла.
Диполь кривизны Берри (BCD) TDBG обозначен цветом. Темно-фиолетовый цвет указывает на отрицательный BCD, а ярко-желтый цвет указывает на положительный BCD. Увеличивая величину перпендикулярного электрического поля, мы можем пройти вдоль пунктирной стрелки, чтобы обнаружить изменение знака BCD. Смена знака BCD происходит за счет топологического перехода. Кредит: Синха и др.
«Обычно напряжение Холла развивается перпендикулярно протеканию тока, когда внешнее магнитное поле прикладывается перпендикулярно плоскости образца». Синха объяснил. «Интересно, что новаторская теоретическая работа Содемана и Фу показала, что напряжение Холла также может быть в отсутствие магнитного поля даже в немагнитных материалах из-за топологических полос, и мы измерили это напряжение».
Комбинированный эффект ненулевой кривизны Берри и небольшой деформации в скрученной двухслойной системе графена может привести к тому, что известно как «диполь кривизны Берри». Это уникальное измерение генерирует нелинейное напряжение Холла, которое квадратично масштабируется в зависимости от силы тока, подаваемого на образец материала.
«Мы применили низкочастотный ток и измерили напряжение Холла с удвоенной частотой приложенного тока, чтобы обнаружить нелинейное напряжение Холла», — сказал Синха. «Затем мы использовали масштабный анализ, чтобы обнаружить изменение знака диполя кривизны Берри, указывающее на топологический фазовый переход».
Топологические фазовые переходы невероятно трудно обнаружить экспериментально. Тем не менее, многие теоретические и экспериментальные исследования в последнее время намекают на переход в топологии полос скрученного двойного двухслойного графена. Недавняя работа группы предлагает прямое наблюдение этого фазового перехода в экспериментальных условиях.
«Используя транспортные измерения, мы обнаружили этот топологический переход непосредственно через изменение знака диполя кривизны Берри», — объяснил Синха. «Это дает нам экспериментальный инструмент для одновременного исследования зонной геометрической физики и топологических фазовых переходов».
Выводы, полученные этой группой исследователей, могут иметь очень важное значение для изучения топологических фазовых переходов в скрученном двойном двухслойном графене . В будущем используемые ими методы могут помочь в обнаружении топологических переходов в других материалах и системах.
«Ближайшим будущим направлением нашей работы может быть использование нашей техники для определения фазового перехода в зависимости от угла закручивания или порядка наложения», — добавил Синха. «Кроме того, мы надеемся, что наш метод будет эмулирован и в других 2D- или даже 3D-материалах для характеристики сходных топологических фазовых переходов. В целом интерес исследователей к нелинейным эффектам Холла растет из-за его многочисленных преимуществ, одним из которых является исследование зонные геометрические и топологические свойства материалов. Нам придется подождать и увидеть интересные возможности, к которым могут получить доступ нелинейные эффекты по мере их развития».
