Natuurkundigen en collega's van MIT hebben een supersnelweg met vijf rijstroken voor elektronen gecreëerd die ultra-efficiënte elektronica en meer mogelijk zou kunnen maken. Het werk, gerapporteerd in het nummer van 9 mei van Science , is een van de vele belangrijke ontdekkingen die hetzelfde team het afgelopen jaar heeft gedaan met betrekking tot een materiaal dat in wezen een unieke vorm van potlood is.

"Deze ontdekking heeft directe gevolgen voor elektronische apparaten met een laag vermogen, omdat er geen energie verloren gaat tijdens de voortplanting van elektronen, wat niet het geval is bij reguliere materialen waar de elektronen verspreid zijn", zegt Long Ju, een assistent-professor bij de MIT-afdeling van Natuurkunde en corresponderende auteur van het artikel.

Het fenomeen lijkt op auto's die over een open tolweg rijden, in tegenstelling tot auto's die door buurten rijden. De auto's in de buurt kunnen worden tegengehouden of afgeremd door andere automobilisten die abrupt stoppen of een U-bocht maken, waardoor het verder soepele woon-werkverkeer wordt verstoord.

Een nieuw materiaal

Het materiaal achter dit werk, bekend als rhomboëdrische pentalaaggrafeen, werd twee jaar geleden ontdekt door natuurkundigen onder leiding van Ju. "We hebben een goudmijn gevonden en elke primeur onthult iets nieuws", zegt Ju, die ook verbonden is aan het Materials Research Laboratory van MIT.

In een Natuurnanotechnologie artikel afgelopen oktober Ju en collega's rapporteerden de ontdekking van drie belangrijke eigenschappen die voortkomen uit rhomboëdrische grafeen. Ze toonden bijvoorbeeld aan dat het topologisch zou kunnen zijn, of de ongehinderde beweging van elektronen rond de rand van het materiaal mogelijk zou kunnen maken, maar niet door het midden. Dat resulteerde in een supersnelweg, maar vereiste de toepassing van een groot magnetisch veld dat zo'n tienduizenden keer sterker was dan het magnetisch veld van de aarde.

In het huidige werk meldt het team dat de snelweg is aangelegd zonder enig magnetisch veld.

Tonghang Han, een afgestudeerde natuurkundestudent aan het MIT, is co-eerste auteur van het artikel. "We zijn niet de eersten die dit algemene fenomeen hebben ontdekt, maar we hebben dat in een heel ander systeem gedaan. En vergeleken met eerdere systemen is het onze eenvoudiger en ondersteunt het ook meer elektronenkanalen", legt Ju uit. "Andere materialen kunnen slechts één rijstrook aan de rand van het materiaal ondersteunen. We hebben er plotseling vijf gemaakt."

Andere co-eerste auteurs van het artikel die in gelijke mate aan het werk hebben bijgedragen, zijn Zhengguang Lu en Yuxuan Yao. Lu is postdoctoraal medewerker bij het Materials Research Laboratory. Yao voerde het werk uit als bezoekende student aan de Tsinghua Universiteit. Andere auteurs zijn MIT Professor Liang Fu van de natuurkunde; Jixiang Yang en Junseok Seo, beiden afgestudeerde studenten natuurkunde aan het MIT; Chiho Yoon en Fan Zhang van de Universiteit van Texas in Dallas; en Kenji Watanabe en Takashi Taniguchi van het National Institute for Materials Science in Japan.

Hoe het werkt

Potloodlood, of grafiet, bestaat uit grafeen, een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in zeshoeken die lijken op een honingraatstructuur. Rhombohedraal grafeen bestaat uit vijf lagen grafeen die in een specifieke overlappende volgorde zijn gestapeld.

Ju en collega's isoleerden rhomboëdrische grafeen dankzij een nieuwe microscoop die Ju in 2021 aan het MIT heeft gebouwd en die snel en relatief goedkoop een verscheidenheid aan belangrijke kenmerken van een materiaal op nanoschaal kan bepalen. Pentalaag rhomboëdrisch gestapeld grafeen is slechts een paar miljardsten van een meter dik.

Bij het huidige werk sleutelde het team aan het oorspronkelijke systeem, door een laag wolfraamdisulfide toe te voegen (WS₂ ). "De interactie tussen de WS₂ en het vijflaagse rhomboëdrische grafeen resulteerde in deze vijfbaans supersnelweg die werkt zonder magnetisch veld", zegt Ju.

Vergelijking met supergeleiding

Het fenomeen dat de Ju-groep ontdekte in rhombohedraal grafeen, waardoor elektronen zonder weerstand kunnen reizen bij een magnetisch veld van nul, staat bekend als het kwantum-abnormale Hall-effect. De meeste mensen zijn beter bekend met supergeleiding, een heel ander fenomeen dat hetzelfde doet, maar in heel verschillende materialen voorkomt.

Ju merkt op dat hoewel supergeleiders in de jaren tien van de vorige eeuw werden ontdekt, het zo'n 100 jaar onderzoek kostte om het systeem over te halen om te werken bij de hogere temperaturen die nodig zijn voor toepassingen. "En het wereldrecord ligt nog steeds ruim onder kamertemperatuur", merkt hij op.

Op dezelfde manier werkt de rhomboëdrische grafeensnelweg momenteel op ongeveer 2 Kelvin, of -456 Fahrenheit. "Het zal veel moeite kosten om de temperatuur te verhogen, maar als natuurkundigen is het onze taak om inzicht te verschaffen; een andere manier om dit [fenomeen] te realiseren", zegt Ju.

De ontdekkingen met betrekking tot rhomboëdrische grafeen kwamen als resultaat van nauwgezet onderzoek waarvan niet gegarandeerd kon worden dat het zou werken. "We hebben maandenlang veel recepten uitgeprobeerd", zegt Han, "dus het was erg spannend toen we het systeem tot een zeer lage temperatuur lieten afkoelen en er zomaar een vijfbaanssnelweg tevoorschijn kwam die geen magnetisch veld heeft."

Zeg maar:"Het is heel spannend om de eerste te zijn die een fenomeen in een nieuw systeem ontdekt, vooral in een materiaal dat we hebben ontdekt."

Meer informatie: Tonghang Han et al, Groot kwantum-abnormaal Hall-effect in spin-orbit geproximitiseerd rhomboëdraal grafeen, Wetenschap (2024). DOI:10.1126/science.adk9749

Journaalinformatie: Natuurnanotechnologie , Wetenschap

Aangeboden door Materials Research Laboratory, Massachusetts Institute of Technology