„Aranyszabályok” az atomtömegek megalkotásához

A fizikusok kifejlesztettek egy technikát az ultrahullámos rácsok pontos beállítására, forradalmasítva ezzel a következő generációs hullámos kvantumanyag lehetőségét.

A Szingapúri Nemzeti Egyetem (NUS) fizikusai kifejlesztettek egy technikát, amellyel aranyszabályok segítségével pontosan szabályozható a hullámos szuperrácsok egymáshoz igazítása, megnyitva ezzel az utat a hullámos kvantumanyag következő generációja előtt.

Supermoiré bilincsek

Moiré-minták akkor jönnek létre, ha két azonos periodikus szerkezetet egymásra helyezünk, relatív torziós szöggel vagy két különböző periodikus struktúrát, de egymásra torziós szöggel vagy anélkül. A torziós szög a két szerkezet kristálytani orientációja közötti szög. Például mikor Grafén A hatszögletű bór-nitrid (hBN) egy réteges anyag, amely egymásra rétegezve van, és a két szerkezetben lévő atomok nem illeszkednek tökéletesen egymáshoz, így interferenciaperemek mintázata jön létre, amelyet moaré mintának neveznek. Ez elektronikus rekonstrukcióhoz vezet.

A grafénben és a hBN-ben lévő moaré-mintázatot új, egzotikus tulajdonságokkal rendelkező struktúrák létrehozására használták, például topológiai áramlatokat és Hofstadter pillangó állapotokat. Ha két moaré mintát egymásra halmoznak, egy új struktúra jön létre, amelyet moaré hálónak neveznek. A hagyományos egyhullámú anyagokhoz képest ez a szuperhullámos hálózat kibővíti a hangolható anyagok tulajdonságait, lehetővé téve a potenciális felhasználást az alkalmazások sokkal szélesebb körében.

A NUS Egyetem Fizika Tanszékének eredményei

A Szingapúri Nemzeti Egyetem Fizikai Tanszékén dolgozó Ariando professzor által vezetett kutatócsoport kifejlesztett egy technikát, és sikerült elérnie a hBN/grafén/hBN szupermoaré hálózat ellenőrzött összehangolását. Ez a technika lehetővé teszi két moaré minta pontos elrendezését egymás tetején. Eközben a kutatók megfogalmazták a „három aranyszabályát” is, amely irányítja technikájuk használatát szuper hullámos hálózatok létrehozására.

Az eredmények a közelmúltban jelentek meg a folyóiratban Nature Communications.

A szuperrács művészi illusztrációja csavart sarkokkal (θt és θb), amely a grafén és a hatszögletű bór-nitrid (T-hBN) felső rétege, valamint a hatszögletű bór-nitrid (B-hBN) alsó rétege között alakult ki. Az enyhe eltolódás szuperhullámos hálómintát eredményez. Kredit: Nature Communications

Kihívások és megoldások

Az ultrahullámú grafénhálózat létrehozása során három fő kihívás áll előttünk. Először is, a hagyományos optikai igazítás nagymértékben támaszkodik a grafén egyenes éleire, de a megfelelő grafén lapka megtalálása idő- és munkaigényes; Másodszor, még akkor is, ha egyenes élű grafénmintát használunk, kicsi a 1/8 valószínűsége annak, hogy duplán igazított szuperhullámos rácsot kapjunk, az élaszimmetria és a rácsszimmetria bizonytalansága miatt. Harmadszor, bár az élszimmetria és a hálószimmetria meghatározható, az igazítási hibák gyakran nagyok (0,5°-nál nagyobbak), mivel fizikailag nehéz két különböző hálóanyagot egymáshoz igazítani.

Dr. Junxiong Hu, a kutatás vezető szerzője elmondta: „Technológiánk segít megoldani egy valós problémát. Több kutató is elmondta, hogy általában körülbelül egy hétig tart a mintavétel. Technológiánkkal nemcsak a gyártási időt jelentősen lerövidíthetik, hanem nagymértékben javíthatják is Pontosság a mintából.”

Művészi meglátások

A tudósok kezdetben „30 fokos forgatási technikát” alkalmaznak a felső hBN és grafénrétegek egymáshoz igazításának szabályozására. Ezután „inverziós technikát” alkalmaznak a felső hBN-rétegek és az alsó hBN-rétegek összehangolásának szabályozására. E két módszer alapján szabályozhatják a rácsszimmetriát és hangolhatják a grafén szuperrács sávszerkezetét. Azt is kimutatták, hogy a szomszédos grafitél útmutatóként szolgálhat a halmozási igazításhoz. Ebben a tanulmányban 20 moaré mintát készítettek, amelyek pontossága jobb, mint 0,2 fok.

Ariando professzor a következőket mondta: „Három aranyszabályt állítottunk fel a technológiánkra, amelyek segíthetnek a 2D-s anyagok közösségének számos kutatójának. Munkánk várhatóan számos más, egymással szorosan összekapcsolt rendszeren, például varázsszögben csavart kétrétegű grafénen vagy ABC halmozott többrétegű grafénen dolgozó tudós hasznára válik. Remélem, hogy ez a technikai fejlesztés felgyorsítja a hullámkvantumanyag következő generációjának fejlődését.

Jövőbeli törekvések

Jelenleg a kutatócsoport ezt a technológiát használja egy egyrétegű szuperhullámú grafénhálózat létrehozására és ennek az anyagrendszernek az egyedi tulajdonságainak feltárására. Ezenkívül a jelenlegi technikát más fizikai rendszerekre is kiterjesztik, hogy más új kvantumjelenségeket fedezzenek fel.

Hivatkozás: „Szuperhullámrács szabályozott igazítása kétszeresen igazított grafén heterostruktúrákban”, Junxiong Hu, Junyou Tan, Mohamad M. Al Ezzi, Udvas Chattopadhyay, Jian Gou, Yuntian Zheng, Zihao Wang, Jiayu Chen, Reshmi Wata Luothil, Ken Jiang Bo Luothil , Takashi Taniguchi, Andrew Thi Chien Wei, Shafik Adam és A. Ariando, 2023. július 12. Nature Communications.
doi: 10.1038/s41467-023-39893-5