«Χρυσοί κανόνες» για την κατασκευή ατομικών μαζών

Οι φυσικοί έχουν αναπτύξει μια τεχνική για την ακριβή ευθυγράμμιση των υπερκυματιστών δικτυωμάτων, φέρνοντας επανάσταση στην πιθανότητα της επόμενης γενιάς κυματιστή κβαντική ύλη.

Οι φυσικοί στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σιγκαπούρης (NUS) ανέπτυξαν μια τεχνική για τον ακριβή έλεγχο της ευθυγράμμισης των κυματιστών υπερδικτυωμάτων χρησιμοποιώντας ένα σύνολο χρυσών κανόνων, ανοίγοντας το δρόμο για την επόμενη γενιά κυματιστή κβαντική ύλη.

Σχάρες Supermoiré

Τα σχέδια Moiré σχηματίζονται όταν δύο πανομοιότυπες περιοδικές δομές υπερτίθενται με μια σχετική γωνία στρέψης μεταξύ τους ή δύο διαφορετικές περιοδικές δομές αλλά επάλληλες με ή χωρίς γωνία στρέψης μεταξύ τους. Η γωνία στρέψης είναι η γωνία μεταξύ των κρυσταλλογραφικών προσανατολισμών των δύο δομών. Για παράδειγμα, όταν Γραφένιο Το εξαγωνικό νιτρίδιο του βορίου (hBN) είναι ένα στρωματοποιημένο υλικό το ένα πάνω στο άλλο και τα άτομα στις δύο δομές δεν ευθυγραμμίζονται τέλεια, δημιουργώντας ένα σχέδιο κροσσών παρεμβολής, που ονομάζεται μοτίβο moiré. Αυτό οδηγεί σε ηλεκτρονική ανακατασκευή.

Το μοτίβο moiré στο γραφένιο και το hBN έχει χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία νέων δομών με εξωτικές ιδιότητες, όπως τοπολογικά ρεύματα και καταστάσεις πεταλούδας Hofstadter. Όταν δύο μοτίβα moiré στοιβάζονται μαζί, δημιουργείται μια νέα δομή που ονομάζεται πλέγμα moiré. Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά υλικά απλής αυλάκωσης, αυτό το υπερ-κυματοειδές δίκτυο επεκτείνει το εύρος των συντονιζόμενων ιδιοτήτων υλικού επιτρέποντας πιθανή χρήση σε ένα πολύ ευρύτερο φάσμα εφαρμογών.

Επιτεύγματα του Τμήματος Φυσικής στο Πανεπιστήμιο NUS

Μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Ariando από το Τμήμα Φυσικής του Εθνικού Πανεπιστημίου της Σιγκαπούρης ανέπτυξε μια τεχνική και κατάφερε να επιτύχει την ελεγχόμενη ευθυγράμμιση του δικτύου supermoiré hBN/graphene/hBN. Αυτή η τεχνική επιτρέπει την ακριβή διάταξη δύο μοτίβων moiré, το ένα πάνω στο άλλο. Εν τω μεταξύ, οι ερευνητές διατύπωσαν επίσης τον «χρυσό κανόνα των τριών» για να καθοδηγήσουν τη χρήση της τεχνικής τους για τη δημιουργία δικτύων υπερ-κυματισμού.

Τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν πρόσφατα στο περιοδικό Επικοινωνίες για τη φύση.

Απεικόνιση καλλιτέχνη του υπερ-μορφοποιημένου πλέγματος με στριμμένες γωνίες (θt και θb) που σχηματίζεται μεταξύ του γραφενίου, του ανώτερου στρώματος του εξαγωνικού νιτριδίου του βορίου (T-hBN) και του κάτω στρώματος του εξαγωνικού νιτριδίου του βορίου (B-hBN). Μια ελαφρά κακή ευθυγράμμιση έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός εξαιρετικά κυματιστού σχεδίου πλέγματος. Credit: Nature Communications

Προκλήσεις και λύσεις

Υπάρχουν τρεις κύριες προκλήσεις στη δημιουργία του υπερκυμματισμένου δικτύου γραφενίου. Πρώτον, η συμβατική οπτική ευθυγράμμιση βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στις ευθείες άκρες του γραφενίου, αλλά η εύρεση μιας κατάλληλης γκοφρέτας γραφενίου είναι χρονοβόρα και εντατική. Δεύτερον, ακόμη και αν χρησιμοποιηθεί το δείγμα γραφενίου με ευθεία άκρα, υπάρχει μικρή πιθανότητα 1/8 να ληφθεί ένα διπλά ευθυγραμμισμένο πλέγμα moiré, λόγω αβεβαιοτήτων σχετικά με την ασυμμετρία ακμών και τη συμμετρία πλέγματος. Τρίτον, αν και η συμμετρία άκρων και η συμμετρία πλέγματος μπορούν να προσδιοριστούν, τα σφάλματα ευθυγράμμισης είναι συχνά μεγάλα (μεγαλύτερα από 0,5°), καθώς είναι φυσικά δύσκολο να ευθυγραμμιστούν δύο διαφορετικά υλικά πλέγματος.

Ο Δρ Junxiong Hu, επικεφαλής συγγραφέας της ερευνητικής εργασίας, είπε: «Η τεχνολογία μας βοηθά στην επίλυση ενός πραγματικού προβλήματος. Αρκετοί ερευνητές μου είπαν ότι συνήθως χρειάζεται περίπου μία εβδομάδα για την επεξεργασία του δείγματος. Με την τεχνολογία μας, μπορούν όχι μόνο να μειώσουν σημαντικά τον χρόνο κατασκευής, αλλά και να βελτιώσουν σημαντικά την απόδοση Ακρίβεια του δείγματος».

Καλλιτεχνικές ιδέες

Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν την «τεχνική περιστροφής 30 μοιρών» αρχικά για να ελέγξουν την ευθυγράμμιση των ανώτερων στρωμάτων hBN και του γραφενίου. Στη συνέχεια χρησιμοποιούν μια «τεχνική αντιστροφής» για να ελέγξουν την ευθυγράμμιση των ανώτερων στρωμάτων hBN και των κατώτερων στρωμάτων hBN. Με βάση αυτές τις δύο μεθόδους, μπορούν να ελέγξουν τη συμμετρία του πλέγματος και να προσαρμόσουν τη δομή ζώνης του πλέγματος υπερ-μήκους κύματος γραφενίου. Έδειξαν επίσης ότι η γειτονική άκρη γραφίτη μπορεί να χρησιμεύσει ως οδηγός για την ευθυγράμμιση στοίβαξης. Σε αυτή τη μελέτη, κατασκεύασαν 20 δείγματα moiré με ακρίβεια μεγαλύτερη από 0,2 μοίρες.

Ο καθηγητής Arriando είπε: «Έχουμε καθιερώσει τρεις χρυσούς κανόνες για την τεχνολογία μας που μπορούν να βοηθήσουν πολλούς ερευνητές στην κοινότητα των δισδιάστατων υλικών. Η εργασία μας αναμένεται επίσης να ωφελήσει πολλούς επιστήμονες που εργάζονται σε άλλα ισχυρά συσχετισμένα συστήματα, όπως το γραφένιο διπλής στιβάδας με μαγική γωνία ή το γραφένιο πολλαπλών στρώσεων ABC στοιβαγμένο. Μέσω αυτής της τεχνικής βελτίωσης, ελπίζω ότι θα επιταχύνει την ανάπτυξη της επόμενης γενιάς ύλης κβαντικών κυμάτων.

Μελλοντικές προσπάθειες

Επί του παρόντος, η ερευνητική ομάδα αξιοποιεί αυτήν την τεχνολογία για να κατασκευάσει ένα δίκτυο γραφενίου υπερκυμματισμένου μονής στρώσης και να διερευνήσει τις μοναδικές ιδιότητες αυτού του συστήματος υλικών. Επιπλέον, επεκτείνουν επίσης την τρέχουσα τεχνική σε άλλα φυσικά συστήματα, για να ανακαλύψουν άλλα νέα κβαντικά φαινόμενα.

Αναφορά: «Ελεγχόμενη ευθυγράμμιση του πλέγματος υπερκυμάτων σε διπλά ευθυγραμμισμένες ετεροδομές γραφενίου» από τους Junxiong Hu, Junyou Tan, Muhammad M. Al-Azzi, Udvas Chattopadhyay, Jian Gou, Yuntian Zheng, Zihao Wang, Jiayu Chen, Reshmi Thottathil, Jiangbo Luo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Andrew Thai-Chien Wei, Shafik Adam και A. Ariando, 12 Ιουλίου 2023, Επικοινωνίες για τη φύση.
doi: 10.1038/s41467-023-39893-5