(Jose-Luis Olivares/MIT) Graphen hat sich bereits als seltsames und wunderbares Material erwiesen viele verschiedene Möglichkeiten , aber seine Eigenschaften werden noch ungewöhnlicher und exotischer, wenn es verdreht wird – und zwei neue Studien haben Wissenschaftlern einen viel genaueren Blick auf dieses faszinierende Phänomen ermöglicht.
Wenn zwei Blätter Graphen Wenn sie in leicht unterschiedlichen Winkeln zusammengefügt werden, leitet das resultierende Material Elektrizität entweder sehr effektiv oder blockiert sie sehr effektiv. Es ist als um den „magischen Winkel“ verdrehtes Graphen bekannt. Wenn wir mehr darüber wissen, wie und warum dies geschieht, könnte dies zu Fortschritten bei Hochtemperatur-Supraleitern führen Quanten-Computing .
Jetzt ist es Wissenschaftlern erstmals gelungen, eine verdrehte Graphenstruktur vollständig und mit sehr hoher Auflösung zu kartieren. Es ist ihnen auch gelungen, „Graphen-Twistroniken“ sowohl mit vier als auch mit nur zwei Schichten Graphen zum Laufen zu bringen.
Illustration von zwei Graphenschichten, die schräg übereinander gestapelt sind. (José-Luis Olivares/MIT)
„Diese beiden Studien zielen darauf ab, das rätselhafte physikalische Verhalten von Twistronics-Geräten mit magischem Winkel besser zu verstehen“, sagt der Physiker Yuan Cao , from MIT.
„Sobald diese Geräte verstanden sind, glauben Physiker, dass sie dabei helfen könnten, eine neue Generation von Hochtemperatur-Supraleitern, topologischen Geräten für die Quanteninformationsverarbeitung und Niedrigenergietechnologien zu entwerfen und zu konstruieren.“
Um ihre hochauflösende Karte aus geschichtetem, verdrehtem Graphen zu erstellen, verwendeten die Forscher eine neue Technik namens Scanning Nano-SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), die in der Lage ist, Magnetfelder im Nanomaßstab zu erfassen. Es ist, als ob man einen Apfel und seinen Blickwinkel am Horizont sehen könnte – wir sprechen hier von einem beträchtlichen Detaillierungsgrad.
Mithilfe der Messwerte der scannenden Nano-SQUID-Methode konnte das Team mit einer Reihe unterschiedlicher Verdrehungswinkel für zwei Graphenschichten experimentieren und stellte fest, dass der „magische“ Verdrehungswinkel von 1,1 Grad am besten für die Isolierung geeignet war Supraleitung .
Was passiert, wenn zwei Graphen Die Blätter werden in einem leicht versetzten Winkel übereinander geschichtet ist, dass dieser Winkel einen Gradienten erzeugt, der den Strom induziert – es ist ein bisschen wie zwei Lagen Plastikfolie übereinander. Je größer diese Variation jedoch war, desto weniger dramatisch war die physikalische Transformation, beobachteten die Wissenschaftler.
„Dies ist das erste Mal, dass ein gesamtes Gerät kartiert wurde, um zu sehen, wie groß der Verdrehungswinkel in einem bestimmten Bereich des Geräts ist.“ sagt der Physiker Pablo Jarillo-Herrero , vom MIT. „Und wir sehen, dass man ein wenig Abwechslung haben und trotzdem Supraleitung und andere exotische Physik zeigen kann, aber es darf nicht zu viel sein.“
„Wir haben jetzt herausgefunden, wie viel Verdrehungsvariation möglich ist und welchen Verschlechterungseffekt es hat, wenn man zu viel davon hat.“
Die Kenntnis dieser Variationen und ihrer Auswirkungen gibt Wissenschaftlern die Möglichkeit, in Zukunft verbesserte verdrehte Graphenstrukturen zu schaffen. Dasselbe gilt für das Wissen, wie Graphen in mehreren Schichten gestapelt werden kann, mit sich selbst oder mit anderen Materialien.
Es stellte sich heraus, dass das vierschichtige Graphen die gleichen exotischen Eigenschaften hatte wie das zweischichtige Graphen, wenn es im gleichen Winkel von 1,1 Grad gedreht wurde. Mit vier Schichten könnten die Wissenschaftler die Isolierung jedoch mithilfe eines elektrischen Feldes feinjustieren – etwas, das mit nur zwei Schichten nicht möglich ist.
Die Forschung auf diesem Gebiet steht erst am Anfang, aber die Möglichkeit, eine geschichtete Schicht aus Graphen schnell neu abzustimmen, könnte vielfältige Anwendungen in der Physik und den Materialwissenschaften haben. Seien Sie bereit, in Zukunft noch viel mehr darüber zu hören.
„Es ist noch sehr früh auf dem Feld“ sagt Jarillo-Herrero . „Im Moment ist die Physik-Community immer noch allein von ihren Phänomenen fasziniert.“
„Die Leute träumen davon, welche Art von Geräten wir herstellen könnten, erkennen aber, dass es noch zu früh ist und wir noch so viel über diese Systeme lernen müssen.“
Die Forschung wurde in zwei Artikeln veröffentlicht Natur , Hier Und Hier .