Natuurkundigen van het Massachusetts Institute of Technology veranderen een potlood in elektronisch ‘goud’.

Dunne folie-isolatie die kan worden afgestemd om drie belangrijke eigenschappen te vertonen.

Massachusetts Institute of Technology Natuurkundigen hebben grafiet, of potlood, figuurlijk in goud veranderd door vijf ultrafijne vlokken te isoleren die in een specifieke opstelling zijn gestapeld. Het resulterende materiaal kan vervolgens worden afgestemd om drie belangrijke eigenschappen te vertonen die nog nooit eerder in natuurlijk grafiet zijn gezien.

“Het lijkt op one-stop-shopping”, zegt Long Guo, assistent-professor bij het MIT Department of Physics en leider van het onderzoek dat in het nummer van 5 oktober van het tijdschrift is gepubliceerd. Natuur nanotechnologie. “De natuur heeft veel verrassingen. In dit geval hebben we ons nooit gerealiseerd dat al deze interessante dingen in grafiet zitten.

Bovendien “is het zeer zeldzaam om materialen te vinden die zoveel eigenschappen kunnen bevatten”, zegt hij.

De opkomst van ‘Twistronics’

Grafiet is gemaakt van GrafeenHet is een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in zeshoekige vormen die lijken op een honingraatstructuur. Grafeen is op zijn beurt het onderwerp geweest van intensief onderzoek sinds het ongeveer twintig jaar geleden voor het eerst werd geïsoleerd. Ongeveer vijf jaar geleden ontdekten onderzoekers, waaronder een team van MIT, dat het stapelen van afzonderlijke vellen grafeen, en deze onder een kleine hoek ten opzichte van elkaar draaien, nieuwe eigenschappen aan het materiaal zou kunnen geven, van supergeleiding tot magnetisme. Het vakgebied van de “twistronics” was geboren.

In het huidige werk “ontdekten we interessante eigenschappen zonder enige verdraaiing”, zegt Gu, die ook verbonden is aan het Materials Research Laboratory.

Een artistieke demonstratie van elektronenbinding, of het vermogen van elektronen om met elkaar te praten, wat kan voorkomen in een speciaal type grafiet (potlood). Bron afbeelding: Sampson Wilcox, MIT Electronics Research Laboratory

Hij en zijn collega’s ontdekten dat vijf lagen grafeen, gerangschikt in een specifieke volgorde, ervoor zorgen dat elektronen die in het materiaal bewegen met elkaar kunnen praten. Dit fenomeen, bekend als elektronencorrelatie, “is de magie die al deze nieuwe eigenschappen mogelijk maakt”, zegt Joe.

Bulkgrafiet – en zelfs losse grafeenplaten – zijn goede elektrische geleiders, maar dat is het dan ook. Het door Gu en zijn collega’s geïsoleerde materiaal, dat zij vijflaags gestapeld grafeen noemen, wordt veel groter dan de som der delen.

De nieuwe microscoop en zijn ontdekkingen

De sleutel tot het isoleren van materie was A Nieuwe microscoop Joe van MIT in 2021 kan snel en relatief goedkoop een verscheidenheid aan belangrijke eigenschappen van materie bepalen. Nano-schaal. Het gestapelde grafeen met de vijfvlakkige laag is slechts enkele miljardsten van een meter dik.

Wetenschappers, waaronder Gu, waren op zoek naar meerlagig grafeen dat in een zeer nauwkeurige opstelling was gestapeld, ook wel ruitvormige stapeling genoemd. “Er zijn meer dan tien mogelijke stapelvolgordes als je naar vijf lagen gaat”, zegt Joe. “Rhombohedral is er slechts één van.” De microscoop die Joe maakte, bekend als Scattering-type Scanning Nearfield Optical Microscopie, of s-SNOM, Hierdoor konden wetenschappers alleen de vijf lagen identificeren en isoleren. In de ruitvormige stapelvolgorde waren ze geïnteresseerd.

Veelzijdige fysieke verschijnselen

Van daaruit bevestigde het team elektroden op een kleine sandwich bestaande uit boornitride “brood” dat het dunne “vlees” van het gestapelde pentahedrale grafeen beschermt. Met de elektroden konden ze het systeem afstemmen op verschillende spanningen of verschillende hoeveelheden. Het resultaat: ze ontdekten dat er drie verschillende verschijnselen optreden, afhankelijk van het aantal elektronen dat het systeem overspoelt.

MIT-postdoctoraal Zhengguang Lu, assistent-professor Long Ju en afgestudeerde student Tonghang Han zijn in het laboratorium. De drie zijn samen met zeven anderen de auteurs van een artikel in het tijdschrift Nature Nanotechnology over een speciaal type grafiet (potlood). Krediet: GoLab

‘We ontdekten dat materie isolerend, magnetisch of topologisch kan zijn’, zegt Gu. Dit laatste houdt tot op zekere hoogte verband met zowel geleiders als isolatoren. Joe legt uit dat een topologisch materiaal een ongehinderde beweging van elektronen langs de randen van het materiaal mogelijk maakt, maar niet door het midden. Elektronen bewegen in één richting langs een ‘snelweg’ aan de rand van het materiaal, gescheiden door een medium dat het centrum van het materiaal vormt. De rand van een topologisch materiaal is dus een perfecte geleider, terwijl het midden een isolator is.

“Ons werk vestigt ruitvormig gestapeld meerlaags grafeen als een zeer afstembaar platform voor het bestuderen van deze nieuwe mogelijkheden voor topologische en sterk gekoppelde natuurkunde”, concluderen Guo en zijn co-auteurs in Natuur nanotechnologie.

Referentie: “Coherente diëlektrische en Chern-isolatoren in vijflaags gestapeld grafeen” door Tonghang Han, Zhenguang Lu, Giovanni Scurri, Jihu Song, Gui Wang, Tian Yi Han, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Hongkun Park en Long Ju, 5 oktober 2023, Natuur nanotechnologie.
doi: 10.1038/s41565-023-01520-1

Naast Gu zijn de auteurs van het artikel Tonghang Han en Zhenguang Lu. Han is een afgestudeerde student aan de afdeling Natuurkunde. Lu is een postdoctoraal onderzoeker in het Materials Research Laboratory. Zij zijn de eerste auteurs van het artikel.

Andere auteurs zijn Giovanni Scurri, Jiho Song, Joy Wang en Hongkun Park van de Harvard University; Kenji Watanabe en Takashi Taniguchi van het National Institute of Materials Science in Japan, en Tianyi Han van het Massachusetts Institute of Technology for Physics.

Dit werk werd ondersteund door een Sloan Fellowship; Amerikaanse Nationale Wetenschapsstichting; Bureau van de staatssecretaris van Defensie voor Onderzoek en Techniek; Japanse Vereniging voor de Bevordering van de Wetenschap KAKENHI; ’s Werelds toonaangevende internationale onderzoeksinitiatief in Japan; en het Office of Scientific Research van de Amerikaanse luchtmacht.