Un nuevo estudio captura el comportamiento de los electrones que interactúan que conducen a estados aislantes y aborda un importante rompecabezas sin resolver en el campo.
Investigadores dirigidos por Princeton han descifrado los misterios de las interacciones de electrones en MATBG utilizando microscopía avanzada, allanando el camino para los avances tecnológicos cuánticos.
Un equipo de investigación dirigido por científicos de Universidad de Princetonimaginó las diminutas bases microscópicas responsables de las muchas fases cuánticas observadas en un material conocido como la bicapa torcida del ángulo mágico. grafeno (Matbeg). Este fascinante material, que consiste en capas retorcidas de átomos de carbono dispuestos en un patrón hexagonal bidimensional, ha estado en los últimos años a la vanguardia de la investigación en física, particularmente en la física de la materia condensada.
Específicamente, los investigadores pudieron, por primera vez, capturar visualizaciones precisas sin precedentes del comportamiento microscópico de los electrones que interactúan que conducen a la fase cuántica dieléctrica de MATBG. Además, mediante el uso de técnicas teóricas nuevas e innovadoras, pudieron explicar y comprender estos comportamientos.
Contexto histórico
Pablo Jarillo Herrero y su equipo en el MIT (Instituto de Tecnología de Massachusetts) descubrieron por primera vez las notables propiedades del grafeno bicapa retorcido en 2018. Demostraron que este material puede ser superconductor, un estado en el que los electrones fluyen libremente sin ninguna resistencia. Este estado es vital para muchos dispositivos electrónicos cotidianos, incluidos los imanes que se utilizan en la resonancia magnética y los aceleradores de partículas, así como en la fabricación de bits cuánticos (llamados qubits) que se utilizan para construir computadoras cuánticas.
Desde este descubrimiento, el grafeno bicapa retorcido ha demostrado muchos estados físicos cuánticos nuevos, como los estados dieléctrico, magnético y superconductor, todos los cuales surgen de interacciones complejas de electrones.
Cómo y por qué los electrones forman estados aislantes en MATBG ha sido uno de los principales misterios sin resolver en este campo. Resolver este rompecabezas no solo desbloqueará nuestra comprensión tanto del aislante como del superconductor cercano, sino también del comportamiento compartido por muchos superconductores inusuales que los científicos buscan comprender, incluidos los superconductores de alta temperatura.
«MATBG muestra una gran cantidad de física interesante en una sola plataforma de material, gran parte de la cual sigue sin comprenderse bien», dijo Kevin Nuckolls, coautor principal del artículo, quien recibió un Ph.D. en 2023 en el Departamento de Física de Princeton y ahora becario postdoctoral en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. «Esta fase de amortiguamiento, en la que el flujo de electrones está completamente bloqueado, fue un verdadero rompecabezas».
Comprender las propiedades de MATBG
Para crear los efectos cuánticos deseados, los científicos colocaron dos láminas de grafeno una encima de la otra con la capa superior en un ligero ángulo. Esta ubicación sin estrés crea un patrón muaré, similar a un diseño de tapiz francés común y así llamado. Sin embargo, el ángulo en el que se debe colocar la capa superior de grafeno es exactamente 1,1°. Este es el ángulo «mágico» que produce el efecto cuántico. Es decir, este ángulo crea interacciones extrañas y fuertemente correlacionadas entre los electrones en las láminas de grafeno.
Aunque los físicos han podido demostrar diferentes fases cuánticas en este material, como la fase superconductora de resistencia cero y la fase de aislamiento, se ha entendido muy poco por qué ocurren estas fases en MATBG. De hecho, todos los experimentos previos con MATBG proporcionan buenas demostraciones de Qué El sistema es capaz de producir, pero no Por qué El sistema produce estos estados.
Y este «por qué» se convirtió en la base de la experiencia presente.
«La idea general de este experimento es que queríamos hacer preguntas sobre los orígenes de estas fases cuánticas, para comprender realmente qué hacen exactamente los electrones en la escala atómica del grafeno», dijo Nuckols. «Ser capaz de examinar la materia microscópicamente y tomar fotografías de los estados asociados, para sus firmas, nos brinda la capacidad de discernir con claridad y precisión los orígenes microscópicos de algunas de estas fases. Nuestra experiencia también ayuda a guiar a los teóricos en la búsqueda de fases que no se esperaban.”
Técnicas de búsqueda avanzada
El estudio, publicado en la edición del 16 de agosto de la revista naturalezaes la culminación de dos años de trabajo y fue logrado por un equipo de la Universidad de Princeton y Universidad de California, Berkeley. Los científicos han aprovechado el poder del microscopio de túnel de barrido (STM) para explorar este pequeño mundo. Este instrumento se basa en una técnica llamada «tunelización cuántica», en la que los electrones pasan entre la punta afilada de metal de un microscopio y la muestra. Este microscopio utiliza corriente de efecto túnel en lugar de luz para ver el mundo de los electrones a escala atómica. Las mediciones de estos eventos de tunelización cuántica se traducen luego en imágenes de alta resolución y alta sensibilidad de los materiales.
Sin embargo, el primer paso, y quizás el más importante para el éxito del experimento, fue crear lo que los investigadores llaman una muestra «original». La superficie de los átomos de carbono que componen la muestra de grafeno bicapa retorcida no debe contener defectos o imperfecciones.
Ali Yazdani, un profesor de 1909, dijo: «El logro técnico que hizo posible este artículo fue la capacidad de nuestro grupo para hacer las muestras tan puras en términos de limpieza que estas imágenes de alta resolución que se ven en el artículo son posibles». Físico y Director del Centro de Materiales Complejos de la Universidad de Princeton. “En otras palabras, hay que hacer cien mil átomos sin un solo defecto o desorden”.
El experimento real consistió en colocar láminas de grafeno en el «ángulo mágico» correcto de 1,1 grados. Luego, los investigadores colocaron la punta de metal afilada del STM encima de la muestra de grafeno y midieron la corriente del túnel mecánico cuántico a medida que la punta se movía a través de la muestra.
«Los electrones en esta escala cuántica no son solo partículas, sino también ondas», dijo Ryan Lee, estudiante graduado en el Departamento de Física de la Universidad de Princeton y uno de los coautores principales del artículo. «Esencialmente, estamos formando imágenes de patrones ondulatorios de electrones, donde la forma exacta en que se superponen[entre sí]nos brinda información muy específica sobre lo que da lugar a los estados electrónicos subyacentes».
Descifrar acertijos cuantitativos
Esta información permitió a los investigadores hacer algunas interpretaciones definitivas sobre las fases cuánticas producidas por el grafeno bicapa retorcido. Es importante destacar que los investigadores usaron esta información para enfocarse y resolver un rompecabezas de larga data que durante muchos años ha sido un desafío para los investigadores que trabajan en este campo, a saber, la fase de aislamiento cuántico que ocurre cuando el grafeno se sintoniza con su ángulo mágico.
Para ayudar a comprender esto desde un punto de vista teórico, los investigadores de Princeton se asociaron con un equipo de la Universidad de California-Berkeley, dirigido por los físicos B. Andre Bernvig en Princeton y Michael Zatell en Berkeley. Este equipo desarrolló un marco teórico nuevo e innovador llamado análisis de «módulo de sistema local» para interpretar imágenes STM y comprender qué estaban haciendo los electrones, en otras palabras, cómo interactuaban, en la fase de aislamiento. Lo que descubrieron es que el estado de aislamiento ocurre debido a la fuerte repulsión entre electrones a nivel microscópico.
«En el grafeno bicapa retorcido de ángulo mágico, el desafío fue modelar el sistema», dijo Tomohiro Suejima, estudiante graduado y teórico en UC Berkeley y uno de los coautores del artículo. «Hubo muchas teorías en competencia, y nadie sabía cuál era la correcta. Nuestro experimento de ‘huellas digitales’ fue realmente crucial porque de esta manera podemos identificar las interacciones electrónicas reales que conducen a la fase de aislamiento».
Utilizando este marco teórico, los investigadores han podido, por primera vez, medir las funciones de onda observadas de los electrones. “El experimento ofrece un nuevo método para el análisis de microscopía cuántica”, dijo Yazdani.
Los investigadores sugieren que la tecnología, tanto las imágenes como el marco teórico, podrían usarse en el futuro para analizar y comprender muchas otras fases cuánticas en MATBG y, en última instancia, ayudar a comprender las propiedades nuevas e inusuales de los materiales que pueden ser útiles para el próximo. generación. Aplicaciones de la tecnología cuántica.
«Nuestro experimento fue un gran ejemplo de cómo la Madre Naturaleza puede ser tan compleja, puede ser realmente confusa, hasta que tienes el marco adecuado para mirarlo, y luego dices: ‘Oh, eso es lo que sucede'», dijo Yazdani.
referencia: «Texturas cuánticas de funciones de onda multicuerpo en grafeno de ángulo mágico» Escrito por Kevin Nuckols, Ryan L. Lee, Myungchul Oh, Dillon Wong, Tomohiro Suejima, Jung-pyo Hong, Dumitru Kologoro, Jonah Herzog-Arbitmann, B. agosto 2023 naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06226-x
Este trabajo fue apoyado principalmente por la Iniciativa EPiQS de la Fundación Gordon y Betty Moore a través de la subvención GBMF9469 y la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de EE. UU. DE-FG02-07ER46419. La National Science Foundation (NSF-MRSEC) brindó más apoyo para el trabajo experimental a través de las subvenciones NSF-DMR2011750, NSF-DMR-1904442, ARO MURI (W911NF-21-2-0147) y ONR N00012 del Princeton Center for Complex Materials. -21- 1-2592. El apoyo adicional fue proporcionado por una beca de la Fundación Masason y del Departamento de Energía de EE. UU., Oficina de Ciencias, Centros Nacionales de Investigación de Ciencias de la Información Cuántica, Acelerador de Sistemas Cuánticos; Departamento de Física de la Universidad de Princeton; Departamento de Energía de EE. UU., Oficina de Ciencias, Oficina de Ciencias Energéticas Básicas, División de Ciencia e Ingeniería de Materiales, bajo el Contrato No. DE-AC02-05CH11231, bajo el Programa de Heteroestructuras van der Waals (KCWF16); Fundación Alfred P. Sloan; Consejo Europeo de Investigación (ERC) en el marco del Programa de Investigación e Innovación Horizonte 2020 de la UE (subvención 101020833), subvención de la Oficina de Investigación Naval N00014-20-1-2303, subvención de Simons Investigator 404513 y la Fundación Gordon y Betty Moore a través de la iniciativa EPiQS, subvenciones GBMF11070 y GBMF8685 subvenciones, BSF Israel USA Foundation subvención 2018226, Princeton Global Network Funds; y la beca Hertz. NR agradece el apoyo de QuantERA II, que ha recibido financiación del Programa de Investigación e Innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en virtud de la subvención 101017733. KW ha recibido financiación de la Iniciativa de estrategia primaria realizada por MEXT, Japón, subvención JPMXP0112101001, subvención JSPS KAKENHI 19H05790 y JP20H00354.
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