A Massachusetts Institute of Technology fizikusai egy ceruzát elektronikus „aranymá” változtatnak.

Vékony fólia szigetelés, amely három fontos tulajdonságra hangolható.

Massachusetts Institute of Technology A fizikusok grafitot vagy ceruzát képletesen arannyá változtattak úgy, hogy elkülönítettek öt, meghatározott elrendezésben egymásra halmozott ultrafinom pelyhet. A kapott anyagot ezután úgy hangolhatjuk, hogy három olyan fontos tulajdonságot mutasson be, amelyeket a természetes grafitban még soha nem láttak.

„Olyan ez, mint az egyablakos ügyintézés” – mondja Long Guo, az MIT Fizikai Tanszékének adjunktusa és a folyóirat október 5-i számában megjelent kutatás vezetője. Természet nanotechnológia. „A természet sok meglepetést tartogat. Ebben az esetben soha nem vettük észre, hogy ezek az érdekes dolgok a grafitban vannak.

Ezenkívül „nagyon ritkán találni olyan anyagokat, amelyek ilyen sok tulajdonságot képesek biztosítani” – mondja.

A „Twistronics” felemelkedése

Grafitból készül GrafénEz egyetlen réteg szénatomok, amelyek hatszögletűek, méhsejt-szerkezetre emlékeztetnek. A grafén viszont intenzív kutatások középpontjában áll, amióta először izolálták, körülbelül 20 évvel ezelőtt. Körülbelül öt évvel ezelőtt a kutatók – köztük az MIT egy csapata – felfedezték, hogy az egyes grafénlapok egymásra rakása és egymáshoz képest enyhe szögben elforgatása új tulajdonságokat kölcsönözhet az anyagnak, a szupravezetéstől a mágnesességig. Megszületett a „twistronics” területe.

A jelenlegi munkában „érdekes tulajdonságokat fedeztünk fel minden csavarás nélkül” – mondja Gu, aki szintén kapcsolatban áll az Anyagkutató Laboratóriummal.

Az elektronkötés, vagy az elektronok egymással beszélő képességének művészi bemutatása, amely egy speciális grafittípusban (ceruzában) fordulhat elő. A kép forrása: Sampson Wilcox, MIT Electronics Research Laboratory

Kollégáival felfedezték, hogy öt, meghatározott sorrendben elhelyezett grafénréteg lehetővé teszi, hogy az anyagban mozgó elektronok beszéljenek egymással. Ez az elektronkorrelációként ismert jelenség „az a varázslat, amely mindezeket az új tulajdonságokat lehetővé teszi” – mondja Joe.

Az ömlesztett grafit – és még az egyes grafénlapok is – jó elektromos vezetők, de ennyi. A Gu és munkatársai által izolált anyag, amelyet ötrétegű halmozott grafénnek neveznek, sokkal nagyobb lesz, mint a részek összege.

Az újszerű mikroszkóp és felfedezései

Az anyag elkülönítésének kulcsa A Újszerű mikroszkóp Joe az MIT-n 2021-ben gyorsan és viszonylag olcsón meg tudja határozni az anyag számos fontos tulajdonságát. Nano skála. A halmozott grafén a pentaéderes réteggel mindössze néhány milliárd méter vastag.

A tudósok, köztük Gu is, olyan többrétegű grafént kerestek, amely nagyon precíz elrendezésben, az úgynevezett rombuszos halmozásban volt egymásra rakva. „Több mint 10 lehetséges halmozási sorrend van, ha öt rétegre ereszkedik le” – mondja Joe. „A romboéder csak egy ezek közül.” A Joe által készített mikroszkóp, az úgynevezett Scattering-type Scanning Nearfield Optical Microscopy vagy s-SNOM, lehetővé tette a tudósok számára, hogy csak az öt réteget azonosítsák és elkülönítsék. A rombuszos halmozási sorrend érdekelte őket.

Sokrétű fizikai jelenségek

Innentől a csapat elektródákat rögzített egy kis szendvicshez, amely bór-nitrid „kenyérből” állt, amely megvédi a halmozott pentaéderes grafén vékony „húsát”. Az elektródák lehetővé tették számukra, hogy különböző feszültségekre vagy különböző mennyiségekre hangolják a rendszert. Az eredmény: Felfedezték, hogy három különböző jelenség jelenik meg a rendszert elárasztó elektronok számától függően.

Az MIT posztdoktori munkatársa, Zhengguang Lu, Long Ju adjunktus és Tonghang Han végzős hallgató a laborban tartózkodik. Ők hárman a Nature Nanotechnology folyóiratban megjelent cikk szerzői egy speciális grafittípusról (ceruza ólom), hét másikkal együtt. Jóváírás: GoLab

„Azt találtuk, hogy az anyag lehet szigetelő, mágneses vagy topologikus” – mondja Gu. Ez utóbbi bizonyos mértékig mind a vezetőkkel, mind a szigetelőkkel kapcsolatos. Joe elmagyarázza, hogy a topológiai anyag lehetővé teszi az elektronok akadálytalan mozgását az anyag szélein, de nem a közepén. Az elektronok egy irányban mozognak egy „autópálya” mentén az anyag szélén, amelyet az anyag középpontját képező közeg választ el egymástól. Tehát egy topológiai anyag széle tökéletes vezető, míg a közepe szigetelő.

„Munkánkkal a rombuszos halmozott többrétegű grafént, mint egy rendkívül hangolható platformot hozunk létre a topologikus és erősen csatolt fizika új lehetőségeinek tanulmányozására” – fejezte be Guo és szerzőtársai. Természet nanotechnológia.

Hivatkozás: „Koherens dielektromos és Chern-szigetelők ötrétegű halmozott grafénben”, Tonghang Han, Zhenguang Lu, Giovanni Scurri, Jihu Song, Gui Wang, Tian Yi Han, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Hongkun Park és Long Ju, október 5. 2023, Természet nanotechnológia.
doi: 10.1038/s41565-023-01520-1

Gu mellett a lap szerzői Tonghang Han és Zhenguang Lu. Han a Fizika Tanszék végzős hallgatója. Lu az Anyagkutató Laboratórium posztdoktori ösztöndíjasa. Ők a cikk első szerzői.

További szerzők: Giovanni Scurri, Jiho Song, Joy Wang és Hongkun Park a Harvard Egyetemen; Kenji Watanabe és Takashi Taniguchi a japán Nemzeti Anyagtudományi Intézettől, valamint Tianyi Han a Massachusettsi Fizikai Technológiai Intézettől.

Ezt a munkát egy Sloan-ösztöndíj támogatta; US National Science Foundation; a Kutatásért és Mérnöki Minisztériumért felelős Helyettes Honvédelmi Minisztérium Hivatala; Japán Tudományfejlesztési Társaság KAKENHI; A világ vezető nemzetközi kutatási kezdeményezése Japánban; és az Egyesült Államok Légierejének Tudományos Kutatási Hivatala.