Quantized heat flow in moiré chern bands of bilayer graphene

In de microscopische wereld van vaste materialen drijven elektronen niet simpelweg als water in een stroom; ze bewegen zich door een landschap dat wordt gedefinieerd door de atomen waar ze langs passeren. Wanneer wetenschappers een materiaal in een sterk magnetisch veld plaatsen, worden deze elektronen gedwongen tot nauwe, cirkelvormige paden. Als het materiaal ook een herhalend patroon heeft, zoals een rooster van atomen, moeten de elektronen een conflict navigeren tussen de magnetische kracht en het atomaire rooster. Deze competitie creëert een complexe, fractale kaart van toegestane energieniveaus, een structuur die zo ingewikkeld is dat zij doet denken aan een vlinder met vele vleugels. Binnen de openingen van deze kaart kunnen elektronen speciale toestanden vormen die topologisch beschermd zijn, wat betekent dat hun gedrag wordt beheerst door globale regels in plaats van lokale details. Decennialang hebben wetenschappers kunnen meten hoe elektriciteit door deze toestanden stroomt, waarmee zij hebben bevestigd dat de elektrische stroom gekwantiseerd is, ofwel vergrendeld in specifieke, onveranderlijke stappen. Echter, een fundamentele vraag bleef onbeantwoord: reist warmte door deze zelfde paden op dezelfde rigide, universele manier? Terwijl elektriciteit in kaart is gebracht, was de stroom van thermische energie door deze exotische kwantumtoestanden een mysterie gebleven, wat een gat achterliet in ons begrip van hoe warmte en topologie met elkaar interageren.

Een team van onderzoekers heeft deze kloof nu opgevuld door de stroom van warmte door deze fractale energietoestanden in een specif kind van materiaal te meten. Zij construeerden een apparaat met behulp van twee lagen grafeen, een materiaal gemaakt van een enkel blad koolstofatomen, gesandwicht tussen lagen hexagonaal boornitride. Door de grafeen zorgvuldig uit te lijnen met het boornitride, creëerden zij een groot, herhalend patroon bekend als een moiré-superrooster, met een golflengte van ongeveer veertien nanometer. Wanneer zij een magnetisch veld op deze opstelling toepasten, organiseerden de elektronen zich in het fractale energiespectrum dat eerder werd beschreven. De onderzoekers gebruikten vervolgens een zeer gevoelige techniek genaamd Johnson-ruis-thermometrie om te meten hoeveel warmte door de elektronen werd gedragen terwijl zij langs de randen van het materiaal bewogen. Deze methode stelde hen in staat om de minuscule temperatuurveranderingen veroorzaakt door de bewegende elektronen te detecteren zonder de delicate kwantumtoestanden te verstoren.

De resultaten waren opmerkelijk en duidelijk. De onderzoekers ontdekten dat de thermische conductantie, of het vermogen van het materiaal om warmte te geleiden, perfect gekwantiseerd was. Net zoals de elektrische stroom vergrendeld is aan specifieke waarden, was de warmtestroom vergrendeld in stappen die uitsluitend worden bepaald door een getal dat het Chern-getal wordt genoemd, dat de topologie van het pad van het elektron beschrijft. Deze kwantisatie bleef standhouden, ongeacht hoe de toestand werd gevormd. Of de elektronen zich nu gedroegen als standaard kwantum Hall-toestanden, als Chern-insulatoren gecreëerd door de structuur van het materiaal, of als symmetriebrekende toestanden gedreven door sterke interacties tussen de elektronen zelf, de warmtestroom bleef consistent. In elk geval was de hoeveelheid gedragen warmte direct evenredig aan het topologische getal, onafhankelijk van de microscopische details van het materiaal of de specifieke mechanische oorzaak van de toestand.

Cruciaal is dat het team ook een potentiële complicatie adresseerde die eerdere experimenten in verwarring had gebracht. In eerdere studies naar soortgelijke materialen was de gemeten warmtestroom vaak lager dan verwacht, een fenomeen dat werd toegeschreven aan een warmte-Coulombblokkade-effect dat één kanaal van warmtestroom blokkeerde. In dit nieuwe werk ontwierpen de onderzoekers hun apparaat met een zeer dunne isolerende laag en een grote capaciteit, wat dit blokkerende effect effectief elimineerde. Als gevolg hiervan observeerden zij voor het eerst de intrinsieke, ongeblokkeerde gekwantiseerde thermische conductantie in deze moiré-systemen. Zij maten toestanden met verschillende topologische getallen, inclusief die met waarden van twee, drie en vier, en in elk geval kwam de warmtestroom exact overeen met de theoretische voorspelling. Zelfs voor toestanden waar de elektronen sterk met elkaar interageerden om nieuwe, complexe patronen te creëren, bleef het warmtetransport universeel en voorspelbaar.

Deze ontdekking vestigt de thermische conductantie als een krachtig en betrouwbaar instrument om de topologie van kwantummaterie te onderzoeken. Door aan te tonen dat warmte op een universele, gekwantiseerde wijze stroomt over verschillende soorten topologische toestanden, bevestigt dit werk dat de verbinding tussen de bulk-eigenschappen van een materiaal en de randgedraging even goed geldt voor warmte als voor elektriciteit. De bevindingen suggereren dat wetenschappers nu warmtemetingen kunnen gebruiken om nog meer exotische fasen van materie te verkennen, zoals fractionele Chern-insulatoren, waarbij de regels van de topologie tot geheel nieuwe vormen van kwantumgedrag kunnen leiden. Het vermogen om deze thermische signaturen met deze precisie te meten, opent een nieuw venster naar de fundamentele aard van topologische kwantummaterialen, en bewijst dat de stroom van warmte net zo diep verbonden is met de geometrie van de kwantumwereld als de stroom van elektriciteit.