Plona folijos izoliacija, kurią galima suderinti, kad būtų parodytos trys svarbios savybės.

Masačiusetso Technologijų Institutas Fizikai perkeltine prasme grafitą arba pieštuką pavertė auksu, išskirdami penkis itin smulkius dribsnius, sukrautus tam tikra tvarka. Tada gautą medžiagą galima sureguliuoti taip, kad ji pasižymėtų trimis svarbiomis savybėmis, kurių dar niekada nebuvo matyti natūraliame grafite.

„Tai tarsi apsipirkimas iš vieno langelio“, – sako Long Guo, MIT Fizikos katedros docentas ir tyrimo, paskelbto žurnalo spalio 5 d., vadovas. Gamtos nanotechnologijos. „Gamta turi daug staigmenų. Šiuo atveju mes niekada nesupratome, kad visi šie įdomūs dalykai yra grafite.

Be to, „labai retai galima rasti medžiagų, kurios gali turėti tiek daug savybių“, – sako jis.

„Twistronics“ iškilimas

Grafitas pagamintas iš GrafenasTai vienas sluoksnis anglies atomų, išsidėsčiusių šešiakampėmis formomis, primenančiomis korio struktūrą. Savo ruožtu grafenas buvo intensyvių tyrimų objektas nuo tada, kai jis pirmą kartą buvo izoliuotas maždaug prieš 20 metų. Maždaug prieš penkerius metus mokslininkai, įskaitant MIT komandą, išsiaiškino, kad sudėjus atskirus grafeno lakštus ir pasukus juos nedideliu kampu, medžiaga gali suteikti naujų savybių – nuo ​​superlaidumo iki magnetizmo. Gimė „tvistronikos“ sritis.

Dabartiniame darbe „mes atradome įdomių savybių be jokio sukimo“, – sako Gu, kuris taip pat yra susijęs su Medžiagų tyrimų laboratorija.

Meninis elektronų surišimo arba elektronų gebėjimo susikalbėti demonstravimas, kuris gali atsirasti specialios rūšies grafite (pieštuku). Vaizdo šaltinis: Sampson Wilcox, MIT Electronics Research Laboratory

Jis ir jo kolegos išsiaiškino, kad penki tam tikra tvarka išdėstyti grafeno sluoksniai leidžia medžiagoje judantiems elektronams kalbėtis tarpusavyje. Šis reiškinys, žinomas kaip elektronų koreliacija, „yra magija, leidžianti įmanyti visas šias naujas savybes“, sako Joe.

Tūrinis grafitas – ir net pavieniai grafeno lakštai – yra geri elektros laidininkai, bet viskas. Gu ir jo kolegų išskirta medžiaga, kurią jie vadina penkių sluoksnių sukrautu grafenu, tampa daug didesnė už jos dalių sumą.

Naujasis mikroskopas ir jo atradimai

Raktas į materijos izoliavimą buvo A Naujas mikroskopas Joe MIT 2021 m. gali greitai ir palyginti nebrangiai nustatyti įvairias svarbias medžiagos savybes. Nano skalė. Sukrautas grafenas su penkiaedriu sluoksniu yra tik kelių milijardųjų metro storio.

Mokslininkai, įskaitant Gu, ieškojo daugiasluoksnio grafeno, kuris buvo sukrautas labai tikslia tvarka, vadinama rombiniu dėjimu. „Yra daugiau nei 10 galimų sudėjimo užsakymų, kai sumažinate iki penkių sluoksnių, – sako Joe. – Romboedras yra tik vienas iš jų. leido mokslininkams identifikuoti ir išskirti tik penkis sluoksnius. Juos domino rombinė sudėjimo tvarka.

Daugialypiai fizikiniai reiškiniai

Iš ten komanda pritvirtino elektrodus prie nedidelio sumuštinio, sudaryto iš boro nitrido „duonos“, kuris apsaugo ploną sukrauto pentaedrinio grafeno „mėsą“. Elektrodai leido jiems sureguliuoti sistemą prie skirtingų įtampų ar skirtingų sumų. Rezultatas: jie atrado, kad atsiranda trys skirtingi reiškiniai, priklausomai nuo elektronų, užliejančių sistemą, skaičiaus.

MIT doktorantas Zhengguang Lu, docentas Long Ju ir absolventas Tonghang Han yra laboratorijoje. Jie trys yra žurnale „Nature Nanotechnology“ paskelbto straipsnio apie ypatingą grafito rūšį (pieštuko švino) autoriai ir dar septyni. Kreditas: GoLab

„Mes nustatėme, kad medžiaga gali būti izoliacinė, magnetinė arba topologinė“, – sako Gu. Pastarasis tam tikru mastu yra susijęs ir su laidininkais, ir su izoliatoriais. Joe paaiškina, kad topologinė medžiaga leidžia netrukdomai judėti elektronams aplink medžiagos kraštus, bet ne per vidurį. Elektronai juda viena kryptimi išilgai „greitkelio“ medžiagos krašte, atskirtu terpės, kuri sudaro medžiagos centrą. Taigi topologinės medžiagos kraštas yra puikus laidininkas, o centras yra izoliatorius.

„Mūsų darbas sukuria rombinį daugiasluoksnį grafeną kaip labai derinamą platformą šioms naujoms topologinės ir stipriai susietos fizikos galimybėms tirti“, – teigia Guo ir jo bendraautoriai. Gamtos nanotechnologijos.

Nuoroda: Tonghang Han, Zhenguang Lu, Giovanni Scurri, Jihu Song, Gui Wang, Tian Yi Han, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Hongkun parkas ir Long Ju „Nuosekli dielektriniai ir Černo izoliatoriai penkių sluoksnių sukrautame grafene“, spalio 5 d. 2023 m. Gamtos nanotechnologijos.
doi: 10.1038/s41565-023-01520-1

Be Gu, šio straipsnio autoriai yra Tonghang Han ir Zhenguang Lu. Hanas yra fizikos katedros absolventas. Lu yra Medžiagų tyrimų laboratorijos doktorantas. Jie yra pirmieji šio straipsnio autoriai.

Kiti autoriai yra Giovanni Scurri, Jiho Song, Joy Wang ir Hongkun Park iš Harvardo universiteto; Kenji Watanabe ir Takashi Taniguchi iš Nacionalinio medžiagų mokslo instituto Japonijoje ir Tianyi Han iš Masačusetso fizikos technologijos instituto.

Šį darbą parėmė Sloano stipendija; JAV nacionalinis mokslo fondas; Gynybos sekretoriaus pavaduotojo tyrimams ir inžinerijai biuras; Japonijos mokslo skatinimo draugija KAKENHI; Pasaulyje pirmaujanti tarptautinė mokslinių tyrimų iniciatyva Japonijoje; ir JAV oro pajėgų mokslinių tyrimų biuras.