Απομονώστε λεπτές νιφάδες που μπορούν να ρυθμιστούν ώστε να παρουσιάζουν τρεις σημαντικές ιδιότητες.
ΜΕ Οι φυσικοί έχουν μεταφορικά μετατρέψει τον γραφίτη, ή το μολύβι μολύβι, σε χρυσό απομονώνοντας πέντε εξαιρετικά λεπτές νιφάδες στοιβαγμένες με συγκεκριμένη σειρά. Το προκύπτον υλικό μπορεί στη συνέχεια να συντονιστεί για να παρουσιάσει τρεις σημαντικές ιδιότητες που δεν έχουν ξαναδεί ποτέ στον φυσικό γραφίτη.
«Είναι κάτι σαν να κάνεις μια στάση», λέει ο Long Ju, επίκουρος καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής του MIT και επικεφαλής της εργασίας, η οποία αναφέρεται στο τεύχος 5 Οκτωβρίου του Νανοτεχνολογία Φύσης. «Η φύση έχει πολλές εκπλήξεις. Σε αυτήν την περίπτωση, δεν συνειδητοποιήσαμε ποτέ ότι όλα αυτά τα ενδιαφέροντα πράγματα είναι ενσωματωμένα στον γραφίτη».
Επιπλέον, λέει, «Είναι πολύ σπάνιο υλικό να βρεις υλικά που να μπορούν να φιλοξενήσουν τόσες πολλές ιδιότητες».
Διαβάστε επίσης: Το μυστικό πίσω από τον χρυσό και την πλατίνα στον μανδύα της Γης
Η άνοδος του “Twistronics”
Ο γραφίτης αποτελείται από γραφένιο, το οποίο είναι ένα ενιαίο στρώμα ατόμων άνθρακα διατεταγμένα σε εξάγωνα 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. Στη συνέχεια, πριν από περίπου πέντε χρόνια, ερευνητές, συμπεριλαμβανομένης μιας ομάδας στο MIT, ανακάλυψαν ότι η στοίβαξη μεμονωμένων φύλλων γραφενίου και η συστροφή τους σε μια μικρή γωνία μεταξύ τους, μπορεί να προσδώσει νέες ιδιότητες στο υλικό, από την υπεραγωγιμότητα έως τον μαγνητισμό. Ο τομέας των “twistronics” γεννήθηκε.
Στην τρέχουσα εργασία, «ανακαλύψαμε ενδιαφέρουσες ιδιότητες χωρίς καθόλου συστροφή», λέει ο Ju, ο οποίος επίσης συνεργάζεται με το Εργαστήριο Έρευνας Υλικών.
Αυτός και οι συνεργάτες του ανακάλυψαν ότι πέντε στρώματα γραφενίου διατεταγμένα με μια 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 Ju.
Ο μαζικός γραφίτης –ακόμα και τα μεμονωμένα φύλλα γραφενίου– είναι καλοί ηλεκτρικοί αγωγοί, αλλά μέχρι εκεί. Το υλικό που απομόνωσαν ο Ju και οι συνεργάτες του, το οποίο αποκαλούν πενταστρωματικό ρομβοεδρικό στοιβαγμένο γραφένιο, γίνεται πολύ περισσότερο από το άθροισμα των μερών του.
Ένα νέο μικροσκόπιο και οι ανακαλύψεις του
Το κλειδί για την απομόνωση του υλικού ήταν α νέο μικροσκόπιο Ο Ju κατασκευάστηκε στο MIT το 2021 που μπορεί γρήγορα και σχετικά φθηνά να καθορίσει μια ποικιλία σημαντικών χαρακτηριστικών ενός υλικού στο νανοκλίμακα. Το γραφένιο στοιβαγμένο με ρομβοεδρικό πενταστρωματικό σχήμα έχει πάχος μόνο μερικά δισεκατομμυριοστά του μέτρου.
Οι επιστήμονες συμπεριλαμβανομένου του Ju έψαχναν για πολυστρωματικό γραφένιο που στοιβαζόταν με πολύ ακριβή σειρά, γνωστή ως ρομβοεδρική στοίβαξη. Ο Ju λέει, «υπάρχουν περισσότερες από 10 πιθανές παραγγελίες στοίβαξης όταν πηγαίνετε σε πέντε επίπεδα. Το Rhombohedral είναι μόνο ένα από αυτά». Το μικροσκόπιο που κατασκεύασε Ju, γνωστό ως Scattering-type Scanning Nearfield Optical Microscopy, ή s-SNOM, επέτρεψε στους επιστήμονες να αναγνωρίσουν και να απομονώσουν μόνο τα πενταστρώματα με τη σειρά στοίβαξης ρομβοεδρών που τους ενδιέφερε.
Πολύπλευρα Υλικά Φαινόμενα
Από εκεί, η ομάδα προσάρτησε ηλεκτρόδια σε ένα μικροσκοπικό σάντουιτς που αποτελείται από «ψωμί» νιτριδίου βορίου που προστατεύει το ευαίσθητο «κρέας» του ρομβοεδρικού στοιβαγμένου γραφενίου με πεντάστιχο. Τα ηλεκτρόδια τους επέτρεψαν να συντονίσουν το σύστημα με διαφορετικές τάσεις ή ποσότητες ηλεκτρισμού. Το αποτέλεσμα: ανακάλυψαν την εμφάνιση τριών διαφορετικών φαινομένων ανάλογα με τον αριθμό των ηλεκτρονίων που πλημμυρίζουν το σύστημα.
«Βρήκαμε ότι το υλικό θα μπορούσε να είναι μονωτικό, μαγνητικό ή τοπολογικό», λέει ο Ju. Το τελευταίο σχετίζεται κάπως τόσο με τους αγωγούς όσο και με τους μονωτές. Ουσιαστικά, εξηγεί ο Ju, ένα τοπολογικό υλικό επιτρέπει την ανεμπόδιστη κίνηση των ηλεκτρονίων γύρω από τα άκρα ενός υλικού, αλλά όχι μέσω της μέσης. Τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν προς μια κατεύθυνση κατά μήκος μιας «εθνικής οδού» στο άκρο του υλικού που χωρίζεται από μια μέση που αποτελεί το κέντρο του υλικού. Άρα η άκρη ενός τοπολογικού υλικού είναι τέλειος αγωγός, ενώ το κέντρο είναι μονωτής.
«Η εργασία μας καθιερώνει ρομβοεδρικό στοιβαγμένο πολυστρωματικό γραφένιο ως μια εξαιρετικά συντονισμένη πλατφόρμα για τη μελέτη αυτών των νέων δυνατοτήτων ισχυρά συσχετισμένης και τοπολογικής φυσικής», καταλήγουν ο Ju και οι συνεργάτες του. Νανοτεχνολογία Φύσης.
Παραπομπή: «Συσχετισμένοι μονωτές και μονωτές Chern σε γραφένιο με πενταστρωματικό ρομβοεδρικό στοίβαγμα» από τους Tonghang Han, Zhengguang Lu, Giovanni Scuri, Jiho Sung, Jue Wang, Tianyi Han, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Hongkun Park και Long Ju35, October20, Νανοτεχνολογία Φύσης.
DOI: 10.1038/s41565-023-01520-1
Εκτός από τον Ju, συντάκτες της εργασίας είναι ο Tonghang Han και ο Zhengguang Lu. Ο Han είναι μεταπτυχιακός φοιτητής στο Τμήμα Φυσικής. Ο Lu είναι μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο Εργαστήριο Έρευνας Υλικών. Οι δυο τους είναι οι πρώτοι συγγραφείς της εργασίας.
Άλλοι συγγραφείς είναι οι Giovanni Scuri, Jiho Sung, Jue Wang και Hongkun Park του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ. Kenji Watanabe και Takashi Taniguchi του Εθνικού Ινστιτούτου Επιστήμης Υλικών στην Ιαπωνία και Tianyi Han του MIT Physics.
Αυτή η εργασία υποστηρίχθηκε από μια Sloan Fellowship. το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ· το Γραφείο του Υφυπουργού Άμυνας των ΗΠΑ για την Έρευνα και τη Μηχανική· την Ιαπωνική Εταιρεία για την Προώθηση της Επιστήμης KAKENHI· η World Premier International Research Initiative της Ιαπωνίας· και το Γραφείο Επιστημονικής Έρευνας της Πολεμικής Αεροπορίας των ΗΠΑ.
Διαβάστε επίσης:
Οι επιστήμονες μεταμορφώνουν τα λέπια κοτόπουλου σε φτερά τροποποιώντας την έκφραση γονιδίων
