Impronte digitali delle onde di densità di carica magnetoindotte nel grafene monostrato oltre la metà del riempimento

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 21664 (2022) Citare questo articolo

782 accessi

1 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

Un'onda di densità di carica è un condensato di fermioni, la cui densità di carica mostra una modulazione periodica a lungo raggio. Tale onda di densità di carica può essere descritta principalmente come uno stato quantistico macroscopico ed è noto che si verifica mediante vari meccanismi di formazione. Questi sono la transizione di Peierls che deforma il reticolo, l'orientamento direzionale del vettore d'onda fermionico incline all'annidamento della superficie di Fermi o il generico ordinamento della carica, che al contrario è associato esclusivamente all'effettiva interazione di Coulomb non direzionata tra fermioni. Nei sistemi bidimensionali simili a Dirac/Weyl, l'esistenza di onde di densità di carica è prevista solo teoricamente nel regime di energia ultrabassa a metà riempimento. Prendendo il grafene come ospite di fermioni bidimensionali descritti da un hamiltoniano di Dirac/Weyl, abbiamo sintonizzato indirettamente l'effettiva interazione reciproca di Coulomb tra fermioni attraverso l'adsorbimento del tetracianochinodimetano in cima nel limite di copertura basso. Abbiamo così ottenuto lo sviluppo di una nuova onda di densità di carica dissipativa a bassa dimensione di fermioni simili a Weyl, anche oltre la metà del riempimento con localizzazione e quantizzazione aggiuntiva indotta da magneto. Questa onda di densità di carica appare sia nello spettro degli elettroni che in quello delle lacune.

Un'onda di densità di carica (CDW) è uno stato collettivo di fermioni interagenti1,2,3 descrivibile principalmente come uno stato quantistico con una fase macroscopica2,4,5,6. Tale condensato è caratterizzato da una modulazione periodica della densità dei portatori di carica che mostra firme dissipative di trasporto elettronico3,7,8,9,10. Due meccanismi frequenti di formazione di CDW sono la distorsione di Peierls11 e l'annidamento della superficie di Fermi11,12. Un'altra opzione è un generico ordinamento di carica dovuto all'effettiva interazione coulombiana tra i fermioni11. Per tutti questi motivi i CDW offrono varie potenziali applicazioni nei componenti della memoria quantistica13,14 e nei dispositivi di calcolo quantistico15,16. Di conseguenza, la descrizione teorica e lo studio sperimentale della formazione dello stato CDW in sistemi fermionici a bassa dimensione (bassa D) o non convenzionali, composti ad esempio da Weyl 3D o Dirac a bassa D e fermioni simili a Weyl, continua ad attrarre significativi attenzione17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27. Esempi 2D per quest'ultimo si trovano in Kagomé, Lieb e nei reticoli esagonali28,29. I reticoli di Kagomé sono generalmente realizzati solo in strutture stratificate e nonostante un quadro teorico30,31 ben consolidato e una serie di rapporti sperimentali32,33,34 sulla formazione di CDW, una serie di domande aperte rimangono irrisolte. Allo stesso modo, i reticoli elettronici di Lieb e la formazione di CDW in essi sono stati discussi da un punto di vista teorico35,36, ma la loro realizzazione sperimentale si è rivelata altamente impegnativa37,38,39. Infine, nel caso intrigante dei reticoli esagonali 2D, sono stati condotti solo lavori teorici20,21,22,23. Questi lavori hanno rivelato che i CDW potrebbero formarsi dalla fase semimetallica mediante un generico ordinamento di carica a condizione che le corrispondenti repulsioni in loco e a lungo raggio possano essere sintonizzate di conseguenza rispetto all'energia cinetica20,21,22,23. Tuttavia, ciò è previsto solo nel limite di energia ultrabassa a metà riempimento, cioè nel punto di neutralità della carica (CNP). In particolare, la formazione di tale stato ordinato di carica potrebbe teoricamente essere raggiunta anche oltre la metà del riempimento fornendo ulteriore localizzazione magneto-indotta. Cioè finché il rapporto tra la lunghezza magnetica \(l_{B}\) e la distanza media tra i portatori di carica \(r_{s}\) è minore o uguale all'unità40. Lo sviluppo di una CDW in sistemi fermionici 2D simili a Weyl in un campo magnetico dipende quindi in generale dall'effettiva interazione di Coulomb a coppie relativa all'energia cinetica, \(r_{s}\) e \(l_{B}\)41 . Qui dimostriamo la formazione di un CDW senza precedenti di fermioni 2D simili a Weyl ospitati nel grafene oltre la metà del limite elevato del campo magnetico. Sorprendentemente, questo stato appare sia nello spettro degli elettroni che in quello delle lacune. A causa della natura dissipativa del trasporto elettronico associato ai CDW3,7, la caratteristica del magnetotrasporto di questo CDW è un picco di resistività longitudinale accompagnato da un plateau di conduttività trasversale di valore non convenzionale quantizzato in \(\frac{{e^{2} }}{h }\) (e: carica elettrica elementare, h: costante di Planck). Abbiamo monitorato l'evoluzione di questa firma in campioni con diverso carico di tetracianochinodimetano (TCNQ) fisiosorbito e, in parte, campo magnetico variabile.