De “Gouden Regels” voor het construeren van atoommassa’s

Het klokmodel toont de rotatie-uitlijning tussen de uurwijzer (bovenste hBN), de minutenwijzer (middelste grafeen) en de secondewijzer (onderste hBN). De combinatie van het bovenste hBN, middelste grafeen en onderste hBn resulteert in een moiré-superroosterstructuur in het midden van het horloge. Krediet: Nationale Universiteit van Singapore

Natuurkundigen hebben een techniek ontwikkeld om supergolvende roosters nauwkeurig uit te lijnen, wat een revolutie teweegbrengt in de mogelijkheid van de volgende generatie golvende kwantummaterie.

Natuurkundigen van de Nationale Universiteit van Singapore (NUS) hebben een techniek ontwikkeld om de uitlijning van super-wankelende roosters nauwkeurig te controleren met behulp van een reeks gouden regels, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor de vooruitgang van de volgende generatie golvende kwantummaterie.

Supermoiré-roosters

Moiré-patronen ontstaan ​​wanneer twee identieke periodieke structuren over elkaar heen worden geplaatst met een relatieve torsiehoek ertussen, of twee verschillende periodieke structuren over elkaar heen, met of zonder een torsiehoek. Torsiehoek is de hoek tussen de kristaloriëntaties van de twee structuren. Wanneer bijvoorbeeld Grafeen Hexagonaal boornitride (hBN) zijn materialen met lagen over elkaar heen, en de atomen in de twee structuren zijn niet perfect uitgelijnd, waardoor een patroon van interferentieranden ontstaat, een zogenaamde moiré-patroon. Dit leidt tot elektronische reconstructie.

Het moirépatroon in grafeen en hBN is gebruikt om nieuwe structuren met exotische eigenschappen te creëren, zoals topologische stromingen en Hofstadter-vlindertoestanden. Wanneer twee moirépatronen op elkaar worden gestapeld, ontstaat er een nieuwe structuur, een moirénetwerk genaamd. Vergeleken met traditionele enkelgolfmaterialen breidt dit ultragolfweb het bereik van afstembare materiaaleigenschappen uit, waardoor potentieel gebruik in een veel breder scala aan toepassingen mogelijk is.

Prestaties van de afdeling Natuurkunde van de NUS Universiteit

Een onderzoeksteam onder leiding van professor Arriando van de afdeling natuurkunde van de Nationale Universiteit van Singapore ontwikkelde een techniek en bereikte met succes de gecontroleerde uitlijning van het hBN/grafeen/hBN-supermoiré. Deze techniek maakt het mogelijk om twee moirépatronen nauwkeurig op elkaar te rangschikken. Ondertussen formuleerden de onderzoekers ook de ‘Gouden Regel van Drie’ om het gebruik van hun technologie voor het creëren van superrimpelnetwerken te begeleiden.

De resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie.

Artistieke illustratie van het supermofferde rooster met gedraaide hoeken (θt en θb) gevormd tussen grafeen, de bovenste laag van hexagonaal boornitride (T-hBN) en de onderste laag van hexagonaal boornitride (B-hBN). Een kleine verkeerde uitlijning leidt tot de vorming van een supermoppy roosterpatroon. Krediet: Natuurcommunicatie

Uitdagingen en oplossingen

Er zijn drie belangrijke uitdagingen bij het creëren van een ultra-moppy grafeenrooster. Ten eerste is conventionele optische uitlijning sterk afhankelijk van rechte randen van grafeen, maar het vinden van een geschikte grafeenwafel is tijdrovend en arbeidsintensief; Ten tweede is er, zelfs als het grafeenmonster met rechte randen wordt gebruikt, een lage kans van 1/8 op het verkrijgen van een dubbel uitgelijnd moirérooster, vanwege onzekerheden over randasymmetrie en roostersymmetrie. Ten derde: hoewel randsymmetrie en roostersymmetrie kunnen worden bepaald, zijn uitlijningsfouten vaak groot (groter dan 0,5 °), omdat het fysiek moeilijk is om twee verschillende roostermaterialen uit te lijnen.

Dr. Junxiong Ho, hoofdauteur van het onderzoekspaper, zei: “Onze technologie helpt een reëel probleem op te lossen. Verschillende onderzoekers vertelden me dat het meestal ongeveer een week duurt om het monster te verwerken. Met onze technologie kunnen ze niet alleen de productietijd aanzienlijk verkorten, maar ook de prestaties aanzienlijk verbeteren Nauwkeurigheid van het monster.”

artistieke visies

De wetenschappers gebruiken in eerste instantie de “30 graden rotatietechniek” om de uitlijning van de hBN-toplagen en grafeen te controleren. Vervolgens gebruiken ze een ‘inversietechniek’ om de uitlijning van de bovenste hBN-lagen en de onderste hBN-lagen te controleren. Op basis van deze twee methoden kunnen ze de roostersymmetrie controleren en de bandstructuur van het supergolflengterooster van grafeen aanpassen. Ze toonden ook aan dat de aangrenzende grafietrand als leidraad kan dienen voor de stapeluitlijning. In deze studie vervaardigden ze 20 moiré-monsters met een nauwkeurigheid van beter dan 0,2°.

Professor Arriando zei: “We hebben drie gouden regels voor onze technologie opgesteld die veel onderzoekers in de tweedimensionale materiaalgemeenschap kunnen helpen. Er wordt verwacht dat ons werk ook ten goede zal komen aan veel wetenschappers die werken aan andere sterk gecorreleerde systemen, zoals gedraaid dubbellaags grafeen met een magische hoek of ABC-gestapeld meerlaags grafeen. Ik hoop dat deze technische verbetering de ontwikkeling van de volgende generatie kwantumgolfmaterie zal versnellen.

toekomstige inspanningen

Momenteel maakt het onderzoeksteam gebruik van deze technologie om een ​​enkellaags grafeenrooster met ultragolflengte te vervaardigen en de unieke eigenschappen van dit materiaalsysteem te onderzoeken. Bovendien breiden ze de bestaande technologie ook uit naar andere fysieke systemen, om andere nieuwe kwantumfenomenen te ontdekken.

Referentie: “Gecontroleerde uitlijning van het superfluïde rooster in dubbel uitgelijnde grafeen-heterostructuren” door Junxiong Hu, Junyou Tan, M. M. Al-Ezzi, Udvas Chattopadhyay, Jian Gou, Yuntian Zheng, Zihao Wang, Jiayu Chen, Reshmi Thottathil, Jiangbo Luo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Andrew Thai Shen Wei, Shafik Adam en A. Arriando, 12 juli 2023, hier beschikbaar. Natuurcommunicatie.
doi: 10.1038/s41467-023-39893-5