令人惊讶的熵测量显示“魔法角”石墨烯的异国效应

Pomeranchuk在魔法角度石墨烯的影响

Pomeranchuk在魔法角石墨烯中的影响,揭示了两相之间的外来转变:a(费米)液相,其中电子的空间位置无序,但它们的磁矩(箭头)完全对准,以及电子的固相相在空间下订购,但它们的磁性时刻是自由的波动。逆行地,在加热时将液相转化为固相相。信誉:Weizmann科学研究所

Weizmann科学研究所和马萨诸塞州理工学院的研究人员发现了扭曲双层的令人惊讶的阶段过渡石墨烯.

大多数材料从加热时从固体到液体。一个罕见的逆向例是氦-3,可以在加热时凝固。这种违规和异国情调的效果,称为Pomeranchuk效应,现在可以在称为魔法角图形的材料中找到其电子模拟,由伊维尔·伊拉尼(Shahal Ilani)教授与...合作Prof. Pablo Jarillo-Herrero’s group at the Massachusetts Institute of Technology (麻省理工学院)。

此结果今天发布(4月7日)自然,通过首次测量原子薄二维材料中的电子熵。“熵描述了材料中的紊乱水平,并确定其在不同温度下的哪个阶段稳定,”Ilani解释道。“我们的团队成立以测量魔法角图中的电子熵,以解决其一些优秀的谜团,但发现了另一个惊喜。”

巨型磁熵

熵是一种基本物理量,不易掌握或直接衡量。在低温下,导电材料中的大部分自由度冻结,并且只有电子有助于熵。在散装材料中,存在丰富的电子,因此可以测量它们的热容量和推导熵的热量。在原子薄的二维材料中,由于电子数量少,这种测量变得非常具有挑战性。到目前为止,没有实验在测量此类系统中测量熵。

为了测量熵,WeizMann团队使用独特的扫描显微镜,该显微镜包括位于扫描探针悬臂的边缘处的碳纳米管单电子晶体管。该仪器可以在材料中在材料中的静电电位在空间上进行空间图像,具有前所未有的灵敏度。基于Maxwell的关系,即连接材料的不同热力学性质的关系,可以使用这些静电测量来直接探测电子的熵。

“当我们在高磁场进行测量时,熵在电子的预期行为(Fermi)液体的预期行为之后,这是最低温度存在的最标准状态。然而,令人惊讶的是,在零磁场处,电子表现出巨大的熵,其存在非常神秘。“ilani说。当系统中电子中的电子数量约为魔法角图石墨烯的人工“超晶格”的每个部位时,这种巨大的熵突出。

石墨烯扭曲层中的人工“超晶格”

石墨烯是一个原子碳原子的厚晶体布置在六边形晶格中。当两个石墨烯片彼此的顶部以小且特殊的,或“魔法”错位角度时,似乎是用于材料中的电子的人工“超晶格”的周期性的Moiré图案。Moiré图案是织物中的流行效果,无论一个网格以轻微的角度覆盖另一个网状物。

在魔法角图石墨烯中,电子有四种口味:旋转“向上”或旋转“向下”,“和两个”山谷“。因此,每种莫尔宫都可以保持四个电子,每种味道之一。

研究人员已经知道,当所有Moiré的网站完全满(每个站点四电子)时,该系统表现为简单的绝缘体。然而,2018年,Jarillo-Herrero教授和同事发现他们惊讶的是,它可以在其他整数填充物(每个Moiré站点上的两个或三个电子)上绝缘,这只能解释如果形成相关的电子状态。然而,在每莫尔网的一个电子填充附近,绝大多数的运输测量表明系统很简单,表现为普通金属。这正是Weizmann-MIT团队的熵测量结果发现最令人惊讶的结果。

“与在运输中看到的行为相比,在每莫尔(Moiré遗址上的一个电子填充附近),这是我们的测量,我们的测量表明,热力学上,在这种填充中发生了最戏剧性的阶段过渡,”牵头作者Asaf Rozen博士说在这项工作中。“我们意识到在加热材料时,在加热材料时,相当常规的费米液体与巨型磁熵变换成相关的金属。如果每个Moiré遗址具有完全自由波动的自由度,这种巨大的熵(每个晶格恒定的每格子常数约为1个Boltzmann常数)。“

Pomeranchuk效应的电子模拟

“这种不寻常的过度熵提醒我们大约70年前在氦气3中发现的异国情调的效果,”Weizmann理论教授Erez Berg教授说。“大多数材料,加热时,从固体转变为液体。这是因为液体总是具有比固体更多的熵,因为原子在液体中比固体更不规则地移动。“然而,在氦-3中,在相图的一小部分中,材料的表现完全相反,较高的温度相是固体。苏联理论物理学家Isaak Pomeranchuk在20世纪50年代预测的这种行为只能通过系统中的另一个“隐藏”来源来解释。在氦3的情况下,这种熵来自自由旋转的核旋转。“每个原子在其核中有一个旋转(一个能够指向任何方向的'箭头'),”伯格解释道。“在液氦-3中,由于Pauli排除原理,刚刚一半的旋转必须指向上半部一半必须朝下,所以旋转无法自由旋转。然而,在固相中,原子是局部的,并且从未彼此接近,因此它们的核旋转可以自由旋转。“

“在具有每个Moiré遗址的一个电子的相关状态观察到的巨大过量熵类似于固体氦-3中的熵,而是代替原子和核旋转,在魔法角图石墨烯的情况下,我们具有电子和电子旋转(或山谷磁性时刻),“他说。

磁相图

为了进一步建立与Pomeranchuk效果的关系,该团队对相图进行了详细的测量。这是通过测量系统中电子的“压缩性”来完成的,即,将额外的电子挤入给定的格子部位(这种测量在球队之前的工作中的扭曲双层石墨烯中)。该测量揭示了两种不同的相,通过压缩性急剧下降分离:低熵,电子液相相和具有自由磁矩的高熵固相相。通过以下压缩性下降,研究人员将两个阶段之间的边界视为温度和磁场的函数,表明相位边界正如Pomerachukuk效应所预期的表现。

“这种新的结果挑战了我们对魔法角图石墨烯的理解,”伯格说。“我们想象这种材料中的阶段很简单 - 无论是导电还是绝缘,都预期在这种低温下,所有电子波动都被冻结出来。当巨型磁熵显示时,这不是这种情况。“

“新发现将为强烈相关电子系统的物理提供新的洞察力,甚至可以帮助解释这种波动的旋转如何影响超导性,”他补充道。

研究人员承认他们尚未知道如何在魔法角图中解释Pomeranchuk效果。它是否与氦-3完全一样,因为固体相位中的电子彼此距离距离很远,使其磁性时刻保持完全自由?“We are not sure,” admits Ilani, “since the phase we have observed has a ‘spit personality’ – some of its properties are associated with itinerant electrons while others can only be explained by thinking of the electrons as being localized on a lattice.”

参考文献:“富有魔法角图石墨烯的熵证据”由ASAF Rozen,Jeong Min Park,Urizinner,Yuan Cao,Daniel Rodan-Legrain,Takashi Taniguchi,Kenji Watanabe,Yuval Oreog,Ady Stern,Erez Berg,PabloJarillo-Herrero和Shahal Ilani,4月7日,4月7日,自然
DOI:10.1038 / s41586-021-03319-3

Shahal Ilani教授的研究得到了Sagol Weizmann-Mit桥计划的支持;andrédeloro科学研究奖;罗莎和艾米利奥·塞格尔研​​究奖;和莱昂米和哈里B.赫尔斯利慈善信托。

Erez Berg教授的研究得到了欧文和Cherna Moskowitz的支持。

Yuval Oreg教授的研究得到了戴维斯女士的实验物理椅子的支持。Oreeg教授是Maurice和Gabriella Goldschleger Center的纳米物理学中心。

Ady Stern的研究教授得到了Veronika A. Rabl Maceics自由裁量基金和Zuckerman Step Readership计划的支持。

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