Фізики з Массачусетського технологічного інституту перетворюють олівець на електронне «золото».

Ізоляція з тонкої фольги, яку можна налаштувати, щоб продемонструвати три важливі властивості.

Массачусетський технологічний інститут Фізики образно перетворили графіт, або олівець, на золото, виділивши п’ять надтонких пластівців, складених у певному порядку. Потім отриманий матеріал може бути налаштований таким чином, щоб продемонструвати три важливі властивості, яких раніше не бачив природний графіт.

«Це як універсальний магазин», — каже Лонг Гуо, доцент кафедри фізики Массачусетського технологічного інституту та керівник дослідження, опублікованого в номері журналу за 5 жовтня. Природні нанотехнології. «У природи багато сюрпризів, а в даному випадку ми ніколи не здогадувалися, що всі ці цікаві речі знаходяться в графіті.

Крім того, «дуже рідко можна знайти матеріали, які можуть мати стільки властивостей», — каже він.

Розквіт “Twistronics”

З графіту виготовляють ГрафенЦе один шар атомів вуглецю, розташованих у шестикутній формі, що нагадує стільникову структуру. Графен, у свою чергу, був у центрі інтенсивних досліджень з моменту його виділення приблизно 20 років тому. Близько п’яти років тому дослідники, включно з командою з Массачусетського технологічного інституту, виявили, що складення окремих листів графену та скручування їх під невеликим кутом одне до одного може надати цьому матеріалу нові властивості, від надпровідності до магнетизму. Зародилася галузь «twistronics».

У поточній роботі «ми виявили цікаві властивості без будь-яких скручувань», — каже Гу, який також працює в Лабораторії дослідження матеріалів.

Художня демонстрація зв’язування електронів або здатності електронів спілкуватися один з одним, яка може відбуватися в спеціальному типі графіту (олівець). Джерело зображення: Семпсон Вілкокс, дослідницька лабораторія електроніки MIT

Він і його колеги виявили, що п’ять шарів графену, розташованих у певному порядку, дозволяють електронам, що рухаються всередині матеріалу, спілкуватися один з одним. Це явище, відоме як електронна кореляція, «це та магія, яка робить можливими всі ці нові властивості», каже Джо.

Об’ємний графіт – і навіть окремі листи графену – є хорошими електропровідниками, але це все. Матеріал, виділений Гу та його колегами, який вони називають п’ятишаровим складеним графеном, стає набагато більшим, ніж сума його частин.

Новий мікроскоп і його відкриття

Ключем до виділення матерії був А Новий мікроскоп Джо з Массачусетського технологічного інституту в 2021 році може швидко та відносно недорого визначати різноманітні важливі властивості матерії. Нано масштаб. Складений графен із п’ятигранним шаром має товщину лише кілька мільярдних часток метра.

Вчені, включно з Гу, шукали багатошаровий графен, який був укладений у дуже точне розташування, відоме як ромбічне стекування. “Є більше 10 можливих порядків укладання, коли ви переходите до п’яти шарів, – каже Джо. – Ромбоедр – лише один із них”. Мікроскоп, який створив Джо, відомий як скануюча оптична мікроскопія ближнього поля типу розсіювання, або s-SNOM, дозволив вченим ідентифікувати та виділити лише п’ять шарів. Їх цікавив ромбічний порядок укладання.

Багатогранні фізичні явища

Звідти команда прикріпила електроди до невеликого сендвіча, що складається з «хліба» нітриду бору, який захищає тонке «м’ясо» складеного п’ятигранного графену. Електроди дозволили їм налаштувати систему на різні напруги або різні величини. Результат: вони виявили, що залежно від кількості електронів, що заповнюють систему, виникають три різні явища.

Докторант Массачусетського технологічного інституту Чженгуан Лу, доцент Лонг Джу та аспірант Тунхан Хан знаходяться в лабораторії. Ці троє є авторами статті в журналі Nature Nanotechnology про особливий тип графіту (грифель), а також сім інших. Авторство: GoLab

«Ми виявили, що речовина може бути ізолюючою, магнітною або топологічною», — говорить Гу. Останнє певною мірою відноситься як до провідників, так і до ізоляторів. Джо пояснює, що топологічний матеріал дозволяє електронам безперешкодно рухатися навколо країв матеріалу, але не через середину. Електрони рухаються в одному напрямку вздовж «шосе» на краю матеріалу, розділеного середовищем, яке утворює центр матеріалу. Отже, край топологічного матеріалу є ідеальним провідником, тоді як центр є ізолятором.

«Наша робота створює ромбічний складений багатошаровий графен як високорегульовану платформу для вивчення цих нових можливостей для топологічної та сильно пов’язаної фізики», — підсумовують Гуо та його співавтори в Природні нанотехнології.

Довідка: «Когерентні діелектрики та ізолятори Черна в п’ятишаровому складеному графені» Тонхан Хань, Чженгуан Лу, Джованні Скуррі, Цзіху Сонг, Гуй Ван, Тянь І Хан, Кендзі Ватанабе, Такаші Танігучі, Хонгкун Парк і Лонг Джу, 5 жовтня 2023, Природні нанотехнології.
doi: 10.1038/s41565-023-01520-1

Крім Гу, авторами статті є Тунхан Хань і Чженгуан Лу. Хан є аспірантом кафедри фізики. Лу є докторантом у Лабораторії дослідження матеріалів. Вони є першими авторами статті.

Інші автори: Джованні Скуррі, Джіхо Сонг, Джой Ван і Гонкун Парк з Гарвардського університету; Кендзі Ватанабе і Такаші Танігучі з Національного інституту матеріалознавства в Японії та Тяньі Хан з Массачусетського технологічного інституту фізики.

Ця робота була підтримана стипендією Слоуна; Національний науковий фонд США; Офіс заступника міністра оборони з питань досліджень та інженерії; Японське товариство сприяння науці KAKENHI; Провідна у світі міжнародна дослідницька ініціатива в Японії; та Управління наукових досліджень ВПС США.