Studie sagt neuen quantenanomalen Kristall in fraktional gefüllten Moiré-Übergittern voraus

Moiré-Übergitter, Strukturen, die entstehen, wenn zwei Schichten zweidimensionaler (2D) Materialien mit einem kleinen Drehwinkel übereinander gelegt werden, standen im Mittelpunkt zahlreicher physikalischer Studien. Der Grund hierfür ist, dass man kürzlich entdeckt hat, dass sie neue faszinierende, bisher unbeobachtete physikalische Phänomene und exotische Phasen der Materie beherbergen.

Forscher der California State University Northridge, der Universität Stockholm und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben kürzlich die Entstehung eines neuen anomalen Quantenzustands der Materie in fraktionell gefüllten Moiré-Übergitterbändern vorhergesagt. Ihre Papiererschienen in Briefe zur körperlichen Überprüfungsagt die Existenz dieses Materiezustandes in der verdrehten Halbleiterdoppelschicht 𝑡MoTe2 voraus.

„Moiré-Materialien enthalten eine Vielzahl von Elektronenphasen, darunter topologische Quantenflüssigkeiten und Elektronenkristalle“, sagte Liang Fu, Co-Autor der Studie, gegenüber Phys.org. „Im Großen und Ganzen basieren Kristallisation und Topologie auf dem Teilchen- bzw. Wellenaspekt eines Elektrons.“

Inspiriert von aktuellen Studien zu Moiré-Übergittern machten sich Fu und seine Kollegen daran, die duale Natur der Elektronen in diesen Materialien zu erforschen. Nach Berechnungen und Überlegungen sagten sie die Entstehung eines topologischen Elektronenkristalls in diesen Materialien voraus, der noch nie zuvor beobachtet worden war.

„Unsere Hauptziele waren zu verstehen, welche neuen Quantenphasen angesichts der besonderen charakteristischen Merkmale von Moiré-Übergittersystemen mit einem reicheren Zusammenspiel zwischen kinetischer Energie und Interaktion realisiert werden können, und wie man sie charakterisiert“, sagte Donna Sheng, Co-Autorin des Artikels.

Der vom Forschungsteam entdeckte neue Materiezustand weist eine faszinierende Kombination aus ineinandergreifendem Ferromagnetismus, Ladungsordnung und Topologie auf. Diese Kombination von Eigenschaften ist höchst ungewöhnlich, da Topologie und lokale Ladungsordnung im Allgemeinen miteinander konkurrieren und nicht gemeinsam beobachtet werden.

„Diese Klasse von Zuständen könnte in Moiré-Übergittern recht häufig sein und verräterische experimentelle Signaturen aufweisen, darunter eine quantisierte und überraschend große Hall-Leitfähigkeit im Nullfeld“, sagte Emil J. Bergholtz, Co-Autor der Studie.

„Was dies noch bemerkenswerter macht, ist, dass starke Coulomb-Wechselwirkungen diesen Zustand antreiben. Ohne diese Wechselwirkungen würde sich das System wie ein einfaches Metall verhalten. Die Topologie des stark wechselwirkenden Systems manifestiert sich jedoch dennoch in Form von effektiv nicht wechselwirkenden Fermionen in Form eines Chern-Isolationszustands.“

Die Vorhersage des Teams zu diesem neuen Materiezustand basiert auf umfangreichen numerischen Berechnungen und nutzt Daten aus Studien zu verdrillten Doppelschichthalbleitern. Die Forscher erstellten außerdem ein einfaches phänomenologisches Modell, das die wichtigsten qualitativen Merkmale des neuen Zustands erfasst und so zu einem besseren Verständnis der ihm zugrunde liegenden Physik beiträgt.

„Unsere Studie hat eine neue und unerwartete Phase der Materie identifiziert, die verschiedene Aspekte von Quantenphänomenen kombiniert, die in stark wechselwirkenden Materialien auftreten, wie etwa Kristallisation und Topologie“, sagte Ahmed Abouelkomsan, Co-Autor der Arbeit.

„Es hat sich gezeigt, dass diese Phase mit benachbarten Phasen konkurriert, wie etwa der zusammengesetzten Fermi-Flüssigkeitsphase, die keine Kristallisation zeigt. Unsere Erkenntnisse dienen daher als Leitfaden für aktuelle Experimente mit Moiré-Materialien, bei denen versucht wird, die möglichen zugrunde liegenden Phasen zu identifizieren.“

Diese aktuelle Studie eröffnet neue Möglichkeiten für die Untersuchung exotischer Materiephasen in Moiré-Übergittern. Jüngste Studien haben die experimentelle Beobachtung eines quantenanomalen Hall-Kristalls in verdrehtem zwei- und dreilagigem Graphen gesammelt, der dem vom Team der California State University Northridge, der Universität Stockholm und des MIT vorhergesagten Zustand sehr ähnelt.

In ihren nächsten Studien wollen Fu, Sheng und ihre Kollegen den von ihnen vorhergesagten Materiezustand weiter untersuchen und hoffentlich weitere exotische Zustände in Moiré-Übergittern entdecken. Basierend auf ihren Ergebnissen sagen sie voraus, dass ganzzahlige Chern-Isolatorkristalle mit fraktionaler Moiré-Bandfüllung eine wichtige Rolle in der Phänomenologie von Moiré-Übergittern spielen.

„Solche Zustände wurden vor unserer Arbeit unter einem begrenzten Magnetfeld beobachtet und wurden seitdem in mehreren Moiré-Systemen auf Graphenbasis bei Nullfeld beobachtet“, sagte Aidan Reddy, Co-Autor des Artikels.

„Diese Phänomenologie wirft viele theoretische Fragen auf. Wie sollen wir zum Beispiel über den energetischen Wettbewerb zwischen diesen Zuständen und fraktionalen Chern-Isolatoren denken? Wie sollen wir die Beziehung zwischen dem Füllfaktor und der Chern-Zahl des Kristalls und der Chern-Zahl der darunterliegenden Moiré-Bänder verstehen?

„Wir freuen uns darauf, über diese und andere Fragen weiter nachzudenken.“

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