Φυσικοί από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης μετατρέπουν ένα μολύβι σε ηλεκτρονικό «χρυσό».

Μόνωση με λεπτό φύλλο αλουμινίου που μπορεί να ρυθμιστεί ώστε να παρουσιάζει τρεις σημαντικές ιδιότητες.

Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης Οι φυσικοί έχουν μετατρέψει μεταφορικά τον γραφίτη, ή το μολύβι, σε χρυσό απομονώνοντας πέντε εξαιρετικά λεπτές νιφάδες στοιβαγμένες σε μια συγκεκριμένη διάταξη. Το προκύπτον υλικό μπορεί στη συνέχεια να συντονιστεί για να παρουσιάσει τρεις σημαντικές ιδιότητες που δεν έχουν ξαναδεί ποτέ στον φυσικό γραφίτη.

«Είναι σαν να κάνεις μια στάση», λέει ο Long Guo, επίκουρος καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής του MIT και επικεφαλής της εργασίας που δημοσιεύτηκε στο τεύχος 5 Οκτωβρίου του περιοδικού. Νανοτεχνολογία της φύσης. «Η φύση έχει πολλές εκπλήξεις. Σε αυτήν την περίπτωση, δεν καταλάβαμε ποτέ ότι όλα αυτά τα ενδιαφέροντα πράγματα είναι μέσα σε γραφίτη.

Επιπλέον, «είναι πολύ σπάνιο να βρεθούν υλικά που μπορούν να φιλοξενήσουν τόσες πολλές ιδιότητες», λέει.

Η άνοδος των “Twistronics”

Ο γραφίτης είναι κατασκευασμένος από ΓραφένιοΕίναι ένα ενιαίο στρώμα ατόμων άνθρακα διατεταγμένα σε εξαγωνικά σχήματα που μοιάζουν με δομή κηρήθρας. Το γραφένιο, με τη σειρά του, έχει βρεθεί στο επίκεντρο έντονης έρευνας από τότε που απομονώθηκε για πρώτη φορά πριν από περίπου 20 χρόνια. Πριν από περίπου πέντε χρόνια, ερευνητές, συμπεριλαμβανομένης μιας ομάδας από το MIT, ανακάλυψαν ότι η στοίβαξη μεμονωμένων φύλλων γραφενίου και η συστροφή τους σε μια μικρή γωνία μεταξύ τους, θα μπορούσε να προσδώσει νέες ιδιότητες στο υλικό, από την υπεραγωγιμότητα έως τον μαγνητισμό. Ο τομέας των «twistronics» γεννήθηκε.

Στην τρέχουσα εργασία, «ανακαλύψαμε ενδιαφέρουσες ιδιότητες χωρίς καμία απολύτως συστροφή», λέει ο Gu, ο οποίος είναι επίσης συνδεδεμένος με το Εργαστήριο Έρευνας Υλικών.

Μια καλλιτεχνική επίδειξη της δέσμευσης ηλεκτρονίων ή της ικανότητας των ηλεκτρονίων να συνομιλούν μεταξύ τους, η οποία μπορεί να συμβεί σε έναν ειδικό τύπο γραφίτη (μολύβι). Πηγή εικόνας: Sampson Wilcox, MIT Electronics Research Laboratory

Αυτός και οι συνεργάτες του ανακάλυψαν ότι πέντε στρώματα γραφενίου διατεταγμένα με συγκεκριμένη σειρά επιτρέπουν στα ηλεκτρόνια που κινούνται μέσα στο υλικό να συνομιλούν μεταξύ τους. Αυτό το φαινόμενο, γνωστό ως συσχέτιση ηλεκτρονίων, «είναι η μαγεία που κάνει δυνατές όλες αυτές τις νέες ιδιότητες», λέει ο Τζο.

Ο μαζικός γραφίτης – ακόμα και τα μεμονωμένα φύλλα γραφενίου – είναι καλοί ηλεκτρικοί αγωγοί, αλλά μέχρι εκεί. Το υλικό που απομονώθηκε από τον Gu και τους συναδέλφους του, το οποίο αποκαλούν στοιβαγμένο γραφένιο πέντε στρώσεων, γίνεται πολύ μεγαλύτερο από το άθροισμα των μερών του.

Το νέο μικροσκόπιο και οι ανακαλύψεις του

Το κλειδί για την απομόνωση της ύλης ήταν ο Α Νέο μικροσκόπιο Ο Joe στο MIT το 2021 μπορεί να προσδιορίσει μια ποικιλία σημαντικών ιδιοτήτων της ύλης γρήγορα και σχετικά φθηνά. Νανο κλίμακα. Το στοιβαγμένο γραφένιο με το πενταεδρικό στρώμα έχει πάχος μόνο μερικά δισεκατομμυριοστά του μέτρου.

Οι επιστήμονες συμπεριλαμβανομένου του Gu έψαχναν για πολυστρωματικό γραφένιο που ήταν στοιβαγμένο σε μια πολύ ακριβή διάταξη, γνωστή ως ρομβική στοίβαξη. “Υπάρχουν περισσότερες από 10 πιθανές εντολές στοίβαξης όταν κατεβείτε σε πέντε επίπεδα”, λέει ο Joe. “Το Rhombohedral είναι μόνο ένα από αυτά.” Το μικροσκόπιο που κατασκεύασε ο Joe, γνωστό ως Scattering Nearfield Optical Microscopy, ή s-SNOM, επέτρεψε στους επιστήμονες να αναγνωρίζουν και απομονώνουν τα πενταγωνικά στρώματα.Μόνο με τη ρομβική σειρά στοίβαξης ενδιαφέρθηκαν.

Πολύπλευρα φυσικά φαινόμενα

Από εκεί, η ομάδα προσάρτησε ηλεκτρόδια σε ένα μικρό σάντουιτς που αποτελείται από «ψωμί» νιτριδίου βορίου που προστατεύει το λεπτό «κρέας» του στοιβαγμένου πενταεδρικού γραφενίου. Τα ηλεκτρόδια τους επέτρεψαν να συντονίσουν το σύστημα σε διαφορετικές τάσεις ή διαφορετικές ποσότητες. Το αποτέλεσμα: Ανακάλυψαν ότι εμφανίζονται τρία διαφορετικά φαινόμενα ανάλογα με τον αριθμό των ηλεκτρονίων που πλημμυρίζουν το σύστημα.

Ο μεταδιδακτορικός συνεργάτης του MIT Zhengguang Lu, ο επίκουρος καθηγητής Long Ju και ο μεταπτυχιακός φοιτητής Tonghang Han βρίσκονται στο εργαστήριο. Οι τρεις είναι οι συγγραφείς μιας εργασίας στο περιοδικό Nature Nanotechnology σχετικά με έναν ειδικό τύπο γραφίτη (μολύβι μολυβιού), μαζί με άλλους επτά. Πίστωση: GoLab

«Βρήκαμε ότι η ύλη μπορεί να είναι μονωτική, μαγνητική ή τοπολογική», λέει ο Gu. Το τελευταίο σχετίζεται σε κάποιο βαθμό τόσο με τους αγωγούς όσο και με τους μονωτές. Ο Joe εξηγεί ότι ένα τοπολογικό υλικό επιτρέπει την ανεμπόδιστη κίνηση των ηλεκτρονίων γύρω από τα άκρα του υλικού, αλλά όχι μέσα από τη μέση. Τα ηλεκτρόνια κινούνται προς μία κατεύθυνση κατά μήκος ενός «εθνικού δρόμου» στην άκρη του υλικού που χωρίζεται από ένα μέσο που σχηματίζει το κέντρο του υλικού. Άρα η άκρη ενός τοπολογικού υλικού είναι τέλειος αγωγός, ενώ το κέντρο είναι μονωτής.

“Η εργασία μας καθιερώνει το ρομβικό στοιβαγμένο πολυστρωματικό γραφένιο ως μια εξαιρετικά ρυθμιζόμενη πλατφόρμα για τη μελέτη αυτών των νέων δυνατοτήτων για τοπολογική και έντονα συζευγμένη φυσική”, κατέληξαν ο Guo και οι συνεργάτες του. Νανοτεχνολογία της φύσης.

Αναφορά: «Συνεκτικά διηλεκτρικά και διηλεκτρικά Chern σε στοιβαγμένο γραφένιο πέντε στρωμάτων» από τους Tonghang Han, Zhengguang Lu, Giovanni Scurri, Jihu Song, Gui Wang, Tian Yi Han, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Hongkun Park και Long Ju, 5 Οκτωβρίου 2023, Νανοτεχνολογία της φύσης.
doi: 10.1038/s41565-023-01520-1

Εκτός από τον Gu, συγγραφείς της εφημερίδας είναι οι Tonghang Han και Zhenguang Lu. Ο Χαν είναι μεταπτυχιακός φοιτητής στο Τμήμα Φυσικής. Ο Lu είναι μεταδιδακτορικός υπότροφος στο Εργαστήριο Έρευνας Υλικών. Είναι οι πρώτοι συγγραφείς της εργασίας.

Άλλοι συγγραφείς είναι οι Giovanni Scurri, Jiho Song, Joy Wang και Hongkun Park του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ. Οι Kenji Watanabe και Takashi Taniguchi του Εθνικού Ινστιτούτου Επιστήμης Υλικών στην Ιαπωνία και Tianyi Han του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης για τη Φυσική.

Αυτή η εργασία υποστηρίχθηκε από μια Sloan Fellowship. Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των Η.Π.Α. Γραφείο του Υφυπουργού Άμυνας για την Έρευνα και τη Μηχανική. Ιαπωνική Εταιρεία για την Προώθηση της Επιστήμης KAKENHI; Η κορυφαία διεθνής ερευνητική πρωτοβουλία στον κόσμο στην Ιαπωνία. και το Γραφείο Επιστημονικής Έρευνας της Πολεμικής Αεροπορίας των ΗΠΑ.