Bearbeitete Version einer Skizze des Aufbaus. (Original: Columbia University) Für etwas, das größtenteils nur in zwei Dimensionen existiert, Graphen scheint überall zu sein. Das hauchdünne „Wundermaterial“ ist nicht nur für seine Eigenschaften bekannt unglaubliche Stärke , sondern auch seine einzigartige, oft überraschende Mischung aus thermischen und elektromagnetischen Eigenschaften.
In jüngster Zeit wurden viele der seltsamsten experimentellen Entdeckungen in der Graphenforschung beim Stapeln von Wissenschaftlern gemacht separate Schichten aus Graphen übereinander . Wenn gewöhnliche Materialien auf diese Weise kombiniert werden, passiert nicht viel, aber selbst wenn man ein paar Schichten Graphen übereinander schichtet, scheint das zu passieren erzeugen ungewöhnliche und unerwartete elektronische Zustände .
Nun, a neue Studie Unter der Leitung von Forschern der Columbia University und der University of Washington hat ein weiteres Vorkommen dieses Verhaltens festgestellt, wenn die ein Atom dicken Gitter von Graphen miteinander in Kontakt kommen.
„Wir haben uns gefragt, was passieren würde, wenn wir Graphen-Monoschichten und -Doppelschichten zu einem verdrehten Dreischichtsystem kombinieren würden.“ sagt Cory Dean, Physiker der Columbia University.
„Wir haben herausgefunden, dass die Variation der Anzahl der Graphenschichten diesen Verbundmaterialien einige aufregende neue Eigenschaften verleiht, die zuvor nicht gesehen wurden.“
In den letzten Jahren haben Wissenschaftler bei der Untersuchung der Auswirkungen der Graphenschichtung herausgefunden, dass eine geringfügige Verdrehung einer der Schichten – so dass die beiden Schichten in einem leicht versetzten Winkel aufliegen – das sogenannte „A“ erzeugt verdrehte „magische Winkel“-Struktur , das abwechselnd ein Isolator und ein sein kann Supraleiter (entweder den Stromfluss durch das Material blockieren oder ihn ohne Widerstand ermöglichen).
In der neuen Arbeit experimentierten Dean und sein Team mit einem dreischichtigen Graphensystem, das aus einer einzelnen einschichtigen Schicht aufgebaut war, die auf einer zweischichtigen Schicht gestapelt und dann um etwa 1 Grad verdreht war.
Bei extrem kalten Temperaturen, die nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt liegen, zeigte das verdrillte Monoschicht-Doppelschicht-Graphensystem (tMBG) eine Reihe isolierender Zustände, die durch ein an die Struktur angelegtes elektrisches Feld gesteuert werden konnten.
Abhängig von der Richtung des angelegten elektrischen Feldes veränderte sich die Isolationskapazität des tMBG und ähnelte der von verdrilltem Doppelschicht-Graphen, wenn das Feld auf die Monoschichtschicht gerichtet war.
Wenn das Feld jedoch umgekehrt wurde und in Richtung der Doppelschichtschicht zeigte, ähnelte der isolierende Zustand dem einer vierschichtigen Graphenstruktur, die aus einem verdrillten Doppelschichtsystem besteht.
Das ist jedoch noch nicht alles, was das Team herausgefunden hat. Bei den Experimenten entdeckte das Team eine seltene Form von Magnetismus erst vor Kurzem entdeckt .
„Wir beobachten die Entstehung von elektrisch abstimmbarem Ferromagnetismus bei einer Viertelfüllung des Leitungsbandes und einen damit verbundenen anomalen Hall-Effekt“, so die Forscher schreiben Forscher in ihrer Arbeit .
Der Hall-Effekt bezieht sich traditionell auf den Fall, dass Spannung durch das Vorhandensein eines Magnetfelds abgelenkt werden kann, und auf ein damit verbundenes Phänomen namens „ Quanten-Hall-Effekt – beobachtet in zweidimensionalen Elektronensystemen wie Graphen – erzeugt eine Anomalie, bei der die Verstärkungen des Effekts in quantisierten Schritten ansteigen und nicht in einem geraden, linearen Anstieg.
Neuere Forschungen haben dieses magnetische Verhalten entdeckt Graphensysteme mit Kristallen aus Bornitrid .
Hier haben Physiker jedoch zum ersten Mal dieselbe Anomalie geschaffen, nur dass sie es dieses Mal irgendwie mit Graphen ganz allein geschafft haben, was angesichts der Atome, mit denen wir es zu tun haben, schon etwas Besonderes ist.
„Reiner Kohlenstoff ist nicht magnetisch“ sagt Yankowitz . „Bemerkenswert ist, dass wir diese Eigenschaft erreichen können, indem wir unsere drei Graphenschichten genau im richtigen Verdrehungswinkel anordnen.“
Über die Ergebnisse wird berichtet Naturphysik .