Estudo prevê um novo cristal anômalo quântico em superredes moiré fracionadamente preenchidas

Superredes moiré, estruturas que surgem quando duas camadas de materiais bidimensionais (2D) são sobrepostas com um pequeno ângulo de torção, têm sido o foco de vários estudos de física. Isso porque recentemente foi descoberto que elas hospedam novos fenômenos físicos fascinantes não observados e fases exóticas da matéria.

Pesquisadores da California State University Northridge, da Stockholm University e do Massachusetts Institute of Technology (MIT) previram recentemente o surgimento de um novo estado quântico anômalo da matéria em bandas de super-rede moiré fracionadamente preenchidas. Seu artigo, publicado em Cartas de revisão físicaprevê a existência deste estado da matéria na bicamada semicondutora torcida MoTe₂.

“Materiais moiré hospedam uma variedade de fases eletrônicas, incluindo líquidos quânticos topológicos e cristais de elétrons”, disse Liang Fu, coautor do artigo, ao Phys.org. “Em termos gerais, a cristalização e a topologia estão enraizadas no aspecto de partícula e onda de um elétron, respectivamente.”

Inspirados por estudos recentes com foco em superredes moiré, Fu e seus colegas se propuseram a explorar a natureza dual dos elétrons nesses materiais. Após cálculos e considerações, eles previram o surgimento de um cristal de elétrons topológico nesses materiais que nunca havia sido observado antes.

“Nossos objetivos principais eram entender quais novas fases quânticas podem ser realizadas, dadas as características distintas dos sistemas de super-rede moiré com uma interação mais rica entre energia cinética e interação, bem como caracterizá-los”, disse Donna Sheng, coautora do artigo.

O novo estado da matéria descoberto pela equipe de pesquisa exibe uma combinação intrigante de ferromagnetismo entrelaçado, ordem de carga e topologia. Essa combinação de propriedades é altamente incomum, pois geralmente a topologia e a ordem de carga local competem e não são observadas juntas.

“Essa classe de estados pode ser bastante comum em super-redes moiré, com assinaturas experimentais reveladoras, incluindo uma condutância Hall de campo zero quantizada e surpreendentemente grande”, disse Emil J. Bergholtz, coautor do artigo.

“O que torna isso ainda mais notável é que as fortes interações de Coulomb conduzem esse estado. Sem essas interações, o sistema se comportaria como um simples metal. No entanto, a topologia do sistema fortemente interativo é, no entanto, manifestada em termos de férmions efetivamente não interativos na forma de um estado isolante de Chern.”

A previsão da equipe desse novo estado da matéria é baseada em cálculos numéricos extensivos, usando dados de estudos que examinam semicondutores de bicamada torcida. Os pesquisadores também criaram um modelo fenomenológico simples que captura as principais características qualitativas do novo estado, oferecendo uma melhor compreensão de sua física subjacente.

“Nosso estudo identificou uma nova e inesperada fase da matéria que combina diferentes aspectos de fenômenos quânticos que surgem em materiais fortemente interativos, como cristalização e topologia”, disse Ahmed Abouelkomsan, coautor do artigo.

“Essa fase está competindo com fases vizinhas, como a fase líquida fermi composta que não apresenta cristalização. Nossas descobertas, portanto, servem como um guia para experimentos atuais em materiais moiré que tentam identificar as possíveis fases subjacentes.”

Este estudo recente abre novas possibilidades para o estudo de fases exóticas da matéria em superredes moiré. Estudos recentes reuniram a observação experimental de um cristal Hall quântico anômalo em grafeno bicamada-tricamada torcido, que se assemelha muito ao estado previsto pela equipe da California State University Northridge, Stockholm University e MIT.

Em seus próximos estudos, Fu, Sheng e seus colegas planejam continuar investigando o estado da matéria que eles previram e, esperançosamente, revelar outros estados exóticos em superredes moiré. Com base em seus resultados, eles preveem que cristais isolantes Chern inteiros em preenchimento de banda moiré fracionada desempenham um papel importante na fenomenologia de superredes moiré.

“Tais estados foram observados sob um campo magnético finito antes do nosso trabalho e, desde então, foram observados em campo zero em vários sistemas moiré baseados em grafeno”, disse Aidan Reddy, coautor do artigo.

“Essa fenomenologia levanta muitas questões teóricas. Por exemplo, como deveríamos pensar sobre a competição energética entre esses estados e os isoladores fracionários de Chern? Como deveríamos entender a relação do fator de preenchimento do cristal e o número de Chern com o número de Chern das bandas de moiré subjacentes?

“Estamos animados para continuar pensando sobre essas questões, entre outras.”

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