Результаты могут помочь разработчикам в разработке высокотемпературных сверхпроводников и квантовых вычислительных устройств.
Структура графена, состоящая из одного слоя атомов углерода, соединенных в виде гексагональной соты, проста и на вид деликатна. С момента его открытия в 2004 году ученые обнаружили, что графен на самом деле исключительно сильный. И хотя графен не является металлом, он проводит электричество на сверхвысоких скоростях, лучше, чем большинство металлов.
В 2018 году ученые Массачусетского технологического института во главе с Пабло Жарильо-Эрреро и Юань Цао обнаружили, что когда два листа графена сложены вместе под слегка смещенным «магическим» углом, новая «скрученная» структура графена может стать либо изолятором, полностью блокируя электричество от протекающий через материал или, как ни парадоксально, сверхпроводник, способный пропускать электроны без сопротивления. Это было монументальное открытие, которое помогло начать новую область, известную как «твистроника», исследование электронного поведения в витом графене и других материалах.
Теперь команда MIT сообщает о своих последних достижениях в области графеновой твистроники в двух статьях, опубликованных на этой неделе в журнале Nature.
В первом исследовании исследователи вместе с сотрудниками из Научного института Вейцмана впервые изобразили и нанесли на карту всю структуру скрученного графена с достаточно хорошим разрешением, чтобы они могли видеть очень небольшие изменения в локальном угле скручивания. по всей структуре.
Результаты показали области внутри структуры, где угол между слоями графена немного отклонился от среднего смещения в 1,1 градуса.
Команда обнаружила эти изменения при сверхвысоком угловом разрешении 0,002 градуса. Это равносильно возможности видеть угол яблока с горизонтом с расстояния в милю.
Они обнаружили, что конструкции с более узким диапазоном угловых вариаций обладают более выраженными экзотическими свойствами, такими как изоляция и сверхпроводимость, по сравнению со структурами с более широким диапазоном углов закручивания.
«Это первый раз, когда целое устройство было спроектировано, чтобы увидеть, каков угол закручивания в данной области устройства», - говорит Джарилло-Эрреро, профессор физики Сесила и Иды Грин в Массачусетском технологическом институте. «И мы видим, что вы можете немного измениться и по-прежнему демонстрировать сверхпроводимость и другую экзотическую физику, но это не может быть слишком много. Теперь мы охарактеризовали, сколько вариаций кручения вы можете иметь, и каков эффект деградации при наличии слишком большого количества ».
Во втором исследовании команда сообщила о создании новой витой графеновой структуры с не двумя, а четырьмя слоями графена. Они заметили, что новая четырехслойная структура с магическим углом более чувствительна к определенным электрическим и магнитным полям по сравнению с ее двухслойной предшественницей. Это говорит о том, что исследователи могут более легко и контролируемо изучить экзотические свойства графена с магическим углом в четырехслойных системах.
«Эти два исследования направлены на лучшее понимание удивительного физического поведения устройств твистроники с магическим углом», - говорит Цао, аспирант MIT. «Как только физики поймут, что эти устройства могут помочь в разработке и создании высокотемпературных сверхпроводников нового поколения, топологических устройств для квантовой обработки информации и низкоэнергетических технологий».
Как морщины в полиэтиленовой пленке
С тех пор, как Джарилло-Эрреро и его группа впервые обнаружили графен под магическим углом, другие воспользовались возможностью наблюдать и измерить его свойства. Несколько групп изобразили структуры магического угла, используя сканирующую туннельную микроскопию или STM, метод, который сканирует поверхность на атомном уровне. Тем не менее, исследователи смогли сканировать только небольшие участки графена под магическим углом, охватывающие не более нескольких сотен квадратных нанометров, используя этот подход.
«Обход всей структуры в микронном масштабе для рассмотрения миллионов атомов - это то, для чего STM не подходит лучше всего», - говорит Джарилло-Эрреро. «В принципе это можно было бы сделать, но это заняло бы огромное количество времени».
Поэтому группа проконсультировалась с исследователями из Научного института Вейцмана, которые разработали технику сканирования, которую они называют «сканирование нано-СКВИД», где SQUID означает «Сверхпроводящее устройство с квантовыми помехами». Обычные СКВИДы напоминают небольшое раздвоенное кольцо, две половины которого изготовлены из сверхпроводящего материала и соединены между собой двумя соединениями. Приспособленный вокруг наконечника устройства, подобного STM, SQUID может измерять магнитное поле образца, протекающее через кольцо в микроскопическом масштабе. Исследователи из Института Вейцмана сократили конструкцию SQUID для определения магнитных полей на наноуровне.
Когда графен с магическим углом помещается в небольшое магнитное поле, он генерирует постоянные токи по всей структуре благодаря образованию так называемых «уровней Ландау». Эти уровни Ландау и, следовательно, постоянные токи, очень чувствительны, например, к локальному углу кручения, что приводит к появлению магнитного поля различной величины в зависимости от точного значения локального угла кручения. Таким образом, метод nano-SQUID может обнаруживать области с крошечными смещениями от 1,1 градуса.
«Это оказалось удивительной техникой, которая может улавливать незначительные изменения угла на 0,002 градуса от 1,1 градуса», - говорит Джарилло-Эрреро. «Это было очень хорошо для картирования магического угла графена».
Группа использовала эту технику для отображения двух структур с магическим углом: одна с узким диапазоном вариаций закручивания, а другая с более широким диапазоном.
«Мы поместили один лист графена поверх другого, аналогично пластиковой упаковке поверх пластиковой», - говорит Джарилло-Эрреро. «Вы ожидаете, что будут морщины, и области, где два листа будут немного скручены, некоторые менее скручены, как мы видим на графене».
Они обнаружили, что структура с более узким диапазоном вариаций закрутки имела более выраженные свойства экзотической физики, такие как сверхпроводимость, по сравнению со структурой с большим количеством вариаций закрутки.
«Теперь, когда мы можем непосредственно увидеть эти локальные вариации кручения, было бы интересно изучить, как спроектировать вариации углов скручивания для достижения различных квантовых фаз в устройстве», - говорит Цао.
Перестраиваемая физика
За последние два года исследователи экспериментировали с различными конфигурациями графена и других материалов, чтобы увидеть, приведет ли их скручивание под определенными углами к экзотическому физическому поведению. Группа Джарилло-Эрреро задавалась вопросом, выдержит ли захватывающая физика графена с магическим углом, если они расширят структуру, чтобы компенсировать не два, а четыре слоя графена.
С момента открытия графена почти 15 лет назад, было обнаружено огромное количество информации о его свойствах, не только как один лист, но также и сложенных и выровненных в несколько слоев - конфигурация, которая похожа на то, что вы найдете в графите или карандаше вести.
«Двухслойный графен - два слоя под углом 0 градусов друг к другу - это система, свойства которой мы хорошо понимаем», - говорит Харилло-Эрреро. «Теоретические расчеты показали, что в двухслойной структуре диапазон углов, в которых может возникнуть интересная физика, больше. Так что этот тип структуры может быть более щадящим с точки зрения создания устройств ».
Отчасти вдохновленные этой теоретической возможностью, исследователи изготовили новую структуру с магическим углом, смещающую один бислой графена с другим бислоем на 1,1 градуса. Затем они подключили новую «двухслойную» витую структуру к батарее, подали напряжение и измерили ток, который протекал через устройство, когда они помещали структуру в различные условия, такие как магнитное поле и перпендикулярное электрическое поле.
Как и магические структуры, сделанные из двух слоев графена, новая четырехслойная структура демонстрирует экзотическое изоляционное поведение. Но уникальным образом исследователи смогли настроить это изолирующее свойство вверх и вниз с помощью электрического поля - что невозможно с двухслойным графеном с магическим углом.
«Эта система хорошо настраивается, а это значит, что мы обладаем большим контролем, что позволит нам изучать вещи, которые мы не можем понять, с помощью монослойного графена с магическим углом», - говорит Цао.
«Еще очень рано в этой области», - говорит Харилло-Эрреро. «На данный момент физическое сообщество все еще очаровано только его явлениями. Люди фантазируют о том, какие устройства мы могли бы создать, но понимают, что еще слишком рано, и нам еще так много предстоит узнать об этих системах ».
Это исследование финансировалось, в частности, Министерством энергетики США, Национальным научным фондом, Фондом Гордона и Бетти Мур и программой Sagol Weizmann-MIT Bridge.