魔角石墨烯中的Chern马赛克拓扑和Berry曲率磁性研究

a，示意图布局显示施加在MATBG样品上的背板电压V_bg^dc+V_bg^ac，并使用扫描SOT成像局部磁场B_z^ac（x，y）的相应变化。陈氏马赛克在MATBG中以示意性方式显示。b， m_z （x，y，ν_ ） 在 B_a=50 mT 和 ν= 0.966 下测量。红色（蓝色）表示顺磁样（反磁性）局部差分磁化。c，Chern马赛克图衍生自m_z（x，y，ν_ ）的演变，显示C=1（KB偏振，蓝色），C=-1（KA，红色）和C=0或半金属中间区域（绿色）。图片来源：Grover et al.

魏茨曼科学研究所，巴塞罗那科学技术研究所和筑波（日本）国家材料科学研究所的研究人员最近探索了魔角石墨烯中的Chern马赛克拓扑和Berry曲率磁性。他们的论文发表在《自然物理学》杂志上，为凝聚态物理系统中可能发生的拓扑无序提供了新的见解。

“魔术角扭曲双层石墨烯（MATBG）由于其实验上可接近的平坦带而在过去几年中引起了极大的兴趣，创造了一个高度相关的物理学游乐场，”进行这项研究的研究人员之一Matan Bocarsly告诉 Phys.org，“在传输测量中观察到的一个这样的相关相是量子异常霍尔效应， 即使在没有外加磁场的情况下也存在拓扑边缘电流。

量子异常霍尔效应是一种与电荷传输相关的现象，其中材料的霍尔电阻被量子化为所谓的冯·克利钦常数。它类似于所谓的整数量子霍尔效应，Bocarsly和他的同事在他们以前的工作中广泛研究了这一点，特别是在石墨烯和MATBG中。

基于他们过去的发现，研究人员开始使用他们认为最有效的测量工具进一步研究量子异常霍尔效应。为此，他们采用了一种扫描超导量子干涉装置（SQUID），该装置是在锋利移液器的顶端制造的。该器件是一种极其灵敏的局部磁力计（即测量磁场的传感器），可以收集100nm尺度的图像。

“通过改变样品的载流子密度，我们测量了局部磁场的响应，”Bocarsly解释说。“在低外加磁场下，这种磁响应与布洛赫波函数的内部轨道磁化完全相关，这是由Berry曲率引起的。因此，从本质上讲，我们有一个局部探测器来测量局部浆果曲率。

直接测量MATBG中由局部浆果曲率引起的轨道磁性是一项极具挑战性的任务，以前从未实现过。这是因为信号非常微弱，因此它无法满足大多数现有的磁性测量工具。

Bocarsly和他的同事们是第一个直接测量这种难以捉摸的信号的人。在他们的实验中，他们还在他们的样本中观察到了Chern马赛克拓扑，从而在MATBG中发现了一种新的拓扑无序。

“陈数，或电子系统的拓扑，通常被认为是一个全局拓扑不变量，”Bocarsly说。“我们观察到，在设备尺度（微米级）上，C数不是不变的，而是在+1和-1之间交替。这为凝聚态系统引入了一种新型的无序，即拓扑无序，需要在器件制造和理论分析中加以考虑。

这个研究小组最近的研究极大地促进了对MATBG的理解，无论是在磁性还是拓扑学方面。在未来，它可以为这种材料的更精确的理论模型的发展提供信息，同时也可能促进其在各种量子计算设备中的实现。

“我们的低场局部轨道磁化探头也可用于研究其他基本性质，例如局部时间反转对称性破坏，”Bocarsly补充道。“关于MATBG的整数填充状态以及它们所遵循的对称性，仍然存在许多悬而未决的问题，这可能是未来探索的一个有趣的方向。