Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Estadual da Pensilvânia, College Park, PA, EUA
&bala; Física 18, 85
Um dispositivo feito de grafeno multicamada exibe correntes de borda protegidas topologicamente cuja direção pode ser comutada usando um campo elétrico.
Figura 1: Ao variando a força de um campo elétrico aplicado em uma multicamada de Rhomboaédulos-Grafeno, Ding e colegas induzem transições de fase topológica. Alternando entre estados C = –1 e C = +1 altera a direção da corrente da borda. Estado C = +2 suporta dois canais de borda de copropagação.
Figura 1: Ao variando a força de um campo elétrico aplicado em uma multicamada de Rhomboaédulos-Grafeno, Ding e colegas induzem transições de fase topológica. Alternando entre estados C = –1 e C = +1 altera a direção da corrente da borda. Estado C = +2 suporta dois canais de borda de copropagação.
As fases topológicas da matéria cativaram os físicos por várias décadas, promissores fenômenos exóticos e novos paradigmas para dispositivos eletrônicos (1). Os chamados isoladores Chern-sistemas exibindo condutância quantizada do salão sem um campo magnético externo-são particularmente atraentes. Esses materiais suportam o transporte de elétrons unidirecionais sem dissipação ao longo de suas bordas, o que poderia permitir eletrônicos robustos de baixa potência ou até formar a espinha dorsal de futuras arquiteturas topológicas de computação quântica (2). No entanto, a característica definidora de um isolador de Chern-sua quiralidade, que determina a direção da corrente do estado de borda-é definida por simetria do materials e, portanto, é notoriamente rígida e difícil de manipular dinamicamente (3–5). Agora, Jing Ding, na Universidade Westlake, na China, e colegas demonstraram troca de quiralidade induzida por campo elétrico usando uma nova classe de isoladores de Chern com base no empilhamento de romboédulos de camadas de grafeno (6). Alcançando isso in situ Controle sobre as propriedades topológicas do materials, os pesquisadores destacam a versatilidade da plataforma de Rhombohedral-Grafeno e abriga o caminho para circuitos topológicos mais complexos.
Em Rhombohedral multicamada grafeno, as camadas de grafeno adjacentes são deslocadas lateralmente, de modo que os átomos de carbono formam os vértices dos rhombohedrons. Esse materials naturalmente hospeda bandas planas com grande curvatura da baga-uma medida da topologia da estrutura de banda-que pode ser ajustada usando campos elétricos perpendiculares às camadas de grafeno. Tais sistemas permitem a estabilização de uma variedade de fases topológicas acionadas por interação de Coulomb, com experimentos recentes em superláticos Moiré de Rhombohedral-Grafeno, com efeitos inteiros e fascinantes do Corridor Anomalous Corridor, por exemplo (7–12).
O grafeno romboédrico pode ser feito para exibir o estado do isolador de Chern, organizando o materials com outras camadas de grafeno para formar certos superláticos Moiré e, em seguida, combinar a multicamada resultante com um materials com forte acoplamento de órbita de spin. Ding e colegas usaram grafeno romboédrico de 7 e 10 camadas encapsulado em nitreto de boro hexagonal, com o acoplamento de spin-órbita necessário induzido por uma camada adjacente de desleneto de tungstênio. Quando os pesquisadores aplicaram um campo de deslocamento em toda a pilha, eles observaram uma sequência de transições de fase topológica, incluindo uma mudança impressionante entre dois estados isolantes, C = −1 e C = +1, que correspondem às duas possíveis direções de corrente de borda. Mais notavelmente, no dispositivo de 10 camadas, eles também estabilizaram um C = 2 estado (Fig. 1). Esse estado suporta dois canais de borda quiral copropagadora, oferecendo dinâmica mais rica em estado de borda e o potencial de transporte topológico multicanal.
Para descobrir essas transições de fase topológica, os pesquisadores realizaram medições de magnetotransport em dispositivos de grafeno de dependência dupla. Ao ajustar o campo de deslocamento vertical, eles observaram sinais claros de estados de salão anômalos quantizados com diferentes números de Chern, cada um caracterizado por platôs quantizados do salão. Esses platôs servem como a assinatura de transporte definidora de isoladores de Chern, indicando a presença de estados quirais robustos e sem dissipação e um quantity (a granel (2). Notavelmente, a quiralidade do transporte de borda reverte em um campo crítico, como visto na mudança de sinal da resistência do salão. Essas observações são suportadas por cálculos de campo médio, que capturam a reordenação de campo de campo de deslocamento de estados fundamentais polarizados por spin e vale. Tais cálculos são essenciais nesse regime de banda plana fortemente interagindo, onde as interações elétrons-elétron desempenham um papel dominante na estabilização das fases topológicas concorrentes.
A conquista da equipe representa um marco no controle ativo das propriedades topológicas do estado de borda. Ao contrário das técnicas usadas anteriormente de dopagem magnética ou engenharia de ângulo de torção (2), o ajuste de campo elétrico oferece uma manipulação rápida, reversível e com eficiência energética na quiralidade. Em sistemas dopados magneticamente, o número Chern é fixado pela escolha da configuração dopante e magnética, enquanto as estruturas de moiré de ângulo de torção são definidas durante a fabricação e não podem ser alteradas dinamicamente. Por outro lado, campos de deslocamento elétrico podem ser aplicados in situpermitindo alternar em tempo actual entre fases topológicas distintas.
Embora esse conceito de topologia de ajuste com um campo elétrico possa parecer direto, alcançar o controle whole sobre o número Chern-incluindo a reversão da quiralidade e o acesso a estados de número superior-se mostrou difícil. Essa dificuldade é principalmente porque esse controle requer um sistema de materials com bandas planas, interações fortes e múltiplas simetrias quebradas, os critérios recentemente realizados em multicamadas de Rhombohedral-Grafeno. Como resultado, as fases topológicas ajustáveis em campo elétrico só estão se tornando acessíveis experimentalmente, tornando-a uma fronteira emocionante e ainda em rápida evolução. A capacidade de alternar entre diferentes números de Chern-incluindo fases de número superior de alta cor C = 2 Demonstrado neste caso – poderia permitir elementos lógicos topológicos, dispositivos de memória ou circuitos não reciprocais reconfiguráveis, todos integrados em uma única plataforma.
Olhando para a frente, a combinação de bandas planas, alta mobilidade e forte ajuste de portão exibida pelo grafeno multicamada romboédrico abre a porta para estados ainda mais exóticos – talvez os fracionários com quiralidade controlável ou junções projetadas entre fases topológicas distintas. Por enquanto, Ding e colegas mostraram que a quiralidade em um isolador de Chern não é apenas um rótulo fixo – pode ser virado de cabeça para baixo com a torção de uma tensão do portão.
Referências
X.-L. Qi e S.-C. Zhang, “isoladores topológicos e supercondutores”. Rev. Mod. Phys.831057 (2011); H. Polshyn et al.“Comutação elétrica da ordem magnética em um isolador Orbital Chern”. Natureza58866 (2020).
FDM Haldane, “Modelo para um efeito de salão quântico sem níveis de Landau: realização de matéria condensada da ‘anomalia da paridade'”. Phys. Rev. Lett.612015 (1988); C.-Z. Chang et al.“Observação experimental do efeito do salão anômalo quântico em um isolador topológico magnético”. Ciência340167 (2013).
D. Ovchinnikov et al.“Divisor atual topológico em uma junção de Chern Isolulic”. Nat. Comun.135967 (2022).
W. Yuan et al.“Comutação elétrica da quiralidade da corrente da borda em isoladores de salão anômalos quânticos”. Nat. Mater.2358 (2023).
C. Zhang et al.“A manipulação da interface quiral declara em um isolador de salão quântico de Moiré”. Nat. Phys.20951 (2024).
J. Ding et al.“Quiralidade comutável em campo elétrico em isoladores de grafeno romboédrico estabilizados por diselenídeo de tungstênio”. Phys. Rev. x15011052 (2025).
Z. Lu et al.“Efeito do salão quântico fracionário no grafeno multicamada”. Natureza626759 (2024).
Que et al.“Grande efeito de salão anômalo quântico no grafeno romboédrico proximidade de spin-orbit”. Ciência384647 (2024).
Y. Sha et al.“Observação de um isolador de Chern no grafeno cristalino abca-tetalayer com acoplamento de órbita de spin”. Ciência384414 (2024).
Que et al.“Isolador correlacionado e isoladores de Chern no grafeno Pentalyer Rhombohedral, com estacas de rastreamento”. Nat. Nanotechnol.19181 (2023).
X. Han et al.“Engenharia a topologia da banda em uma superlattice de grafeno de trilayer de Rhombohedral”. Nano Lett.246286 (2024).
G. Chen et al.“Ajuste o isolador e o ferromagnetismo correlacionado em um superlattice Moiré”. Natureza57956 (2020).
Sobre o autor
Morteza Kayyalha é professora assistente de engenharia elétrica da Universidade Estadual da Pensilvânia. Ele obteve seu doutorado em engenharia elétrica e de computadores pela Purdue College, Indiana, em 2018, após mestrado e BSC da Universidade de Teerã, Irã, em 2011 e 2009, respectivamente. Sua pesquisa explora as propriedades únicas de isoladores topológicos e materiais bidimensionais, com aplicações abrangendo computação quântica, nanoeletrônica e colheita de energia. Sua experiência está na fabricação de dispositivos mesoscópicos e nas medições de transporte elétrico de precisão em uma ampla faixa de temperatura – desde a temperatura ambiente até as condições criogênicas. Seu grupo está particularmente focado em interface supercondutores com fases quânticas exóticas de matéria, incluindo isoladores topológicos, isoladores de salão quântico anômalos e grafeno.
