Физици от Масачузетския технологичен институт превръщат молив в електронно „злато“.

Изолация от тънко фолио, която може да бъде настроена да показва три важни свойства.

Масачузетски институт по технологии Физиците образно са превърнали графит или молив в злато, като изолират пет ултрафини люспи, подредени в специфична подредба. След това полученият материал може да бъде настроен да показва три важни свойства, невиждани досега в естествения графит.

„Това е като пазаруване на едно гише“, казва Лонг Гуо, асистент в катедрата по физика на MIT и ръководител на изследването, публикувано в броя на списанието от 5 октомври. Природни нанотехнологии. „Природата има много изненади. В този случай ние никога не сме разбрали, че всички тези интересни неща са в графит.

Освен това, „много рядко се намират материали, които могат да приютят толкова много свойства“, казва той.

Възходът на „Twistronics“

Графитът е направен от ГрафенТова е единичен слой от въглеродни атоми, подредени в шестоъгълни форми, наподобяващи структура на пчелна пита. Графенът от своя страна е във фокуса на интензивни изследвания, откакто беше изолиран за първи път преди около 20 години. Преди около пет години изследователи, включително екип от Масачузетския технологичен институт, откриха, че натрупването на отделни листове графен и усукването им под лек ъгъл един спрямо друг може да придаде нови свойства на материала, от свръхпроводимост до магнетизъм. Родено е полето на „twistronics“.

В настоящата работа „открихме интересни свойства без никакво усукване“, казва Гу, който също е свързан с лабораторията за изследване на материалите.

Художествена демонстрация на свързване на електрони или способността на електроните да общуват помежду си, което може да се случи в специален вид графит (молив). Източник на изображението: Сампсън Уилкокс, Изследователска лаборатория за електроника на MIT

Той и колегите му откриха, че пет слоя графен, подредени в определен ред, позволяват на електроните, движещи се в материала, да общуват помежду си. Това явление, известно като електронна корелация, „е магията, която прави всички тези нови свойства възможни“, казва Джо.

Масовият графит – и дори единичните листове графен – са добри електрически проводници, но това е всичко. Материалът, изолиран от Гу и колегите му, който те наричат ​​петслоен подреден графен, става много по-голям от сбора на неговите части.

Новият микроскоп и неговите открития

Ключът към изолирането на материята беше А Нов микроскоп Джо от MIT през 2021 г. може да определи различни важни свойства на материята бързо и сравнително евтино. Нано мащаб. Подреденият графен с пентаедричния слой е дебел само няколко милиардни от метъра.

Учените, включително Гу, търсеха многослоен графен, който беше подреден в много прецизна подредба, известна като ромбично подреждане. „Има повече от 10 възможни реда на подреждане, когато слезете до пет слоя“, казва Джо. „Ромбоедрът е само един от тях.“ Микроскопът, който Джо създаде, известен като разсейваща оптична микроскопия в близко поле, или s-SNOM, позволи на учените да идентифицират и изолират петоъгълните слоеве. Те се интересуваха само от ромбичния ред на подреждане.

Многостранни физически явления

Оттам екипът прикрепи електроди към малък сандвич, съставен от „хляб“ от борен нитрид, който защитава тънкото „месо“ на подредения пентаедричен графен. Електродите им позволиха да настроят системата на различни напрежения или различни количества. Резултатът: Те откриха, че се появяват три различни явления в зависимост от броя на електроните, наводняващи системата.

Постдокторантът от MIT Zhengguang Lu, асистентът Long Ju и студентът Tonghang Han са в лабораторията. Тримата са автори на статия в списанието Nature Nanotechnology за специален вид графит (олово за молив), заедно със седем други. Кредит: GoLab

„Открихме, че материята може да бъде изолираща, магнитна или топологична“, казва Гу. Последното е свързано до известна степен както с проводниците, така и с изолаторите. Джо обяснява, че топологичният материал позволява безпрепятствено движение на електрони около краищата на материала, но не и през средата. Електроните се движат в една посока по „магистрала“ на ръба на материала, разделени от среда, която образува центъра на материала. Така че ръбът на топологичен материал е перфектен проводник, докато центърът е изолатор.

„Нашата работа установява ромбично подреден многослоен графен като силно регулируема платформа за изучаване на тези нови възможности за топологична и силно свързана физика“, заключават Гуо и неговите съавтори в Природни нанотехнологии.

Справка: „Кохерентен диелектрик и Черн диелектрик в петслоен подреден графен“ от Tonghang Han, Zhengguang Lu, Giovanni Scurri, Jihu Song, Gui Wang, Tian Yi Han, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Hongkun Park и Long Ju, 5 октомври 2023 г., Природни нанотехнологии.
doi: 10.1038/s41565-023-01520-1

В допълнение към Gu, автори на статията са Tonghang Han и Zhenguang Lu. Хан е аспирант в катедрата по физика. Лу е постдокторант в лабораторията за изследване на материалите. Те са първите автори на статията.

Други автори са Джовани Скури, Джихо Сонг, Джой Уанг и Хонгкун Парк от Харвардския университет; Кенджи Уатанабе и Такаши Танигучи от Националния институт по материалознание в Япония и Тиани Хан от Масачузетския технологичен институт за физика.

Тази работа беше подкрепена от стипендия на Sloan; Национална научна фондация на САЩ; Служба на заместник-министъра на отбраната за научни изследвания и инженерство; Японско общество за насърчаване на науката KAKENHI; Водещата в света международна изследователска инициатива в Япония; и Службата за научни изследвания на ВВС на САЩ.