In de afgelopen zeven jaar, Javier Sanchez-Yamagishi heeft honderden gestapelde grafeensystemen op nanoschaal gebouwd om hun elektronische eigenschappen te bestuderen. "Wat me erg interesseert, is dat de eigenschappen van dit gecombineerde systeem gevoelig afhangen van de relatieve afstemming ertussen, " hij zegt.

Sanchez Yamagishi, die in januari promoveerde, is nu een postdoc in de groep van universitair hoofddocent Pablo Jarillo-Herrero. Hij assembleert sandwiches van grafeen en boornitride met verschillende horizontale oriëntaties. "De trucs die we zouden gebruiken, waren schonere apparaten maken, ze afkoelen tot lage temperaturen en er zeer grote magnetische velden op aanleggen, " zegt Sanchez-Yamagishi, die metingen heeft uitgevoerd in het National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee, Florida. Het lab beschikt over de grootste continue magneet ter wereld, 45 Tesla, dat is ongeveer 10, 000 keer de sterkte van een koelkastmagneet.

Sanchez-Yamagishi was een hoofdco-auteur van een paper uit 2014 in Natuur dat toonde aan dat het hebben van een component van het aangelegde magnetische veld in het grafeenvlak elektronen aan de rand van grafeen dwong om in tegengestelde richtingen te bewegen op basis van hun spins. Leidende co-auteurs waren postdoc Benjamin M. Hunt en Pappalardo Fellow Andrea Young, beide van de groep van MIT Physics Professor Raymond C. Ashoori. De krant was het hoogtepunt van twee jaar werk, zegt Sanchez-Yamagishi.

"We probeerden een aantal interessante kwantumtoestanden in het grafeen te realiseren. Het wordt een kwantumspin Hall-toestand genoemd, " legt Sanchez-Yamagishi uit. Dat zou toepassingen hebben in kwantumcomputing, een gebied dat van belang is voor de groep omdat Jarillo-Herrero onderzoeker is in het door de National Science Foundation gefinancierde Center for Integrated Quantum Materials.

Sanchez-Yamagishi was ook co-auteur van een Science-paper uit 2013 waarin Jarillo-Herrero, Ashoori, en medewerkers toonden aan dat een bepaalde uitlijning van gelaagd grafeen en hexagonaal boornitride een unieke bandgap in grafeen creëerde, die een voorloper zou kunnen zijn voor de ontwikkeling van het materiaal voor functionele transistors. Tot de co-auteurs van Sanchez-Yamagishi behoorden opnieuw Young, nu assistent-professor aan de Universiteit van Californië in Santa Barbara, en jagen, die dit najaar zal toetreden tot de faculteit van de Carnegie Mellon-afdeling natuurkunde.

Hofstadters vlinder

Grafeen- en boornitridelagen hebben elk atomen gerangschikt in een zeshoekige, of zeszijdig, patroon. Wanneer de roosterrangschikking van grafeen en hexagonale boornitridelagen nauw op elkaar zijn afgestemd, en de monsters worden blootgesteld aan een groot magnetisch veld buiten het vlak, ze vertonen elektronische energieniveaus die "Hofstadter's vlinder" worden genoemd, " want als ze in een grafiek worden uitgezet, lijkt het op een vlinder. Wat natuurkundigen opwindt, is dat deze vlinder een van de zeldzame voorbeelden is van een fractaal patroon in de kwantumfysica. "Dit is natuurkunde die alleen in [spel] komt omdat de elektronen erg klein en we maken ze erg koud. Dus kwantumfysica speelt een rol en het is heel anders, schokkend anders, ' zegt Sanchez Yamagishi.

"Naast het Hofstadter vlinderresultaat, dezelfde apparaten waren ook de eersten die een bandgap in grafeen vertoonden. Jarillo-Herrero zegt, "Wat heel onverwacht was, was dat we lieten zien dat grafeen, die meestal heel goed presteert, onder de omstandigheden van dat experiment met een zeer lage rotatiehoek tussen het grafeen en het HBN, isolator geworden. Het leidde helemaal niet. Dat was een gedrag dat onverwacht was en dat is het nog steeds. Theoretici proberen nog steeds te begrijpen waarom. Op kwantitatief vlak is het is nog niet begrepen. Dus het is kwalitatief begrepen, maar niet kwantitatief."

Gelukkige ontdekking

Het eigenaardige elektronische gedrag van grafeen komt van zijn moleculaire structuur, dat lijkt op een honingraat- of kippengaasvormig rooster van koolstofatomen. Wanneer deze honingraatstructuren op elkaar worden gestapeld, als ze uit de pas lopen, ze creëren een zogenaamd moirépatroon, die varieert met de rotatie van de lagen ten opzichte van elkaar. "Wat er gebeurde was dat per ongeluk, we hebben deze monsters die deze Hofstadter-fysica laten zien. Dat was dus niet onze oorspronkelijke bedoeling, " legt Sanchez-Yamagishi uit. "Om de natuurkunde van Hofstadter te zien, het grafeen moet zeer nauw worden uitgelijnd met hexagonaal boornitride. Als het goed op elkaar is afgestemd, je hebt een heel groot superrooster, en dan wordt de natuurkunde sterk beïnvloed, en daarom konden we deze Hofstadter-fysica observeren, "zegt hij. Om het anders te zeggen, hij zegt, "Als ze verkeerd zijn uitgelijnd, het moiré is erg klein, en als het moiré klein is, het heeft heel weinig effect op de fysica van het elektron. Maar als ze zijn uitgelijnd, hoe meer ze op elkaar zijn afgestemd, hoe groter het moiré en hoe sterker het effect op de elektronen, en dus eigenlijk heb je een groot moiré nodig om dit soort Hofstadter-fysica te zien."

Hoewel deze honingraatstructuur in grafiet bestaat, een bekende bulkvorm van koolstof, zijn bijzondere eigenschappen komen pas tot uiting wanneer grafeenlagen van slechts één tot enkele atomen dik van het grafiet worden gescheiden. "Grafeen geleidt elektriciteit beter dan grafiet. Het geleidt beter dan zilver of goud, ' zegt Sanchez Yamagishi.

Sanchez-Yamagishi bouwde in het lab een machine die extreem dunne lagen grafeen en soortgelijke materialen stapelt. Wanneer twee lagen grafeen niet goed zijn uitgelijnd, ze worden gedraaid dubbellaags grafeen genoemd. "In grafiet, normaal zijn alle lagen met elkaar uitgelijnd; elektronen worden vertraagd, " legt hij uit. Het blijkt dat als twee lagen grafeen op één lijn worden gestapeld, elektronen die binnen een laag reizen, worden op dezelfde manier vertraagd. Maar met grafeen, als de op elkaar gestapelde lagen niet goed zijn uitgelijnd, ze doen alsof de ene laag de andere laag niet echt voelt. "Je kunt het zo op elkaar leggen, ze blijven eigenlijk losgekoppeld van elkaar, en het kan in principe nog steeds elektriciteit geleiden alsof het nog steeds een enkele plaat grafeen is, "zegt hij. "Als ze niet goed zijn uitgelijnd, dan wordt het elektron in de ene laag niet aangetast door de andere lagen en snelt het mee."

Terwijl de draai, of rotatie niet goed uitgelijnd, kan de elektronenstroom door individuele lagen verbeteren, het heeft het tegenovergestelde effect op elektronen die tussen lagen bewegen. "Ook al staan ​​ze boven elkaar, atomen uit elkaar, als je ze verdraait, dan kunnen de elektronen niet alleen van de ene laag naar de andere gaan. Ze hebben hulp nodig van andere elementen in het systeem. Je kunt ze dus recht op elkaar zetten, ze zijn eigenlijk niet elektrisch aangesloten. Het is gerelateerd aan dit moirépatroon. Het is vanwege de verdraaiing tussen de twee lagen die ze op deze manier ontkoppelt, ' zegt Sanchez Yamagishi.

Leercurve

Een van de eerste afgestudeerde studenten die in 2008 lid werd van de groep van Jarillo-Herrero Sanchez Yamagishi, 28, zegt dat hij is gegroeid van aanvankelijk maanden om grafeen van goede kwaliteit te maken tot nu het maken van zeer ingewikkelde grafeen-apparaten en het vervolgens combineren met andere materialen. Gouden contacten sturen stroom door het grafeen om de elektrische eigenschappen te meten. Vaak, grafeenvormen die in testapparaten worden gebruikt, zijn onregelmatig gevormd, omdat ze zo van het natuurlijke grafietmateriaal komen. Het grafiet wordt op een vel silicium gewreven en met speciale tape eraf gehaald om dunne laagjes grafeen te creëren. Het maximaliseren van de hoeveelheid grafeen die voor een apparaat kan worden gebruikt, heeft prioriteit boven het er mooi uit laten zien, zegt Sanchez-Yamagishi. "We proberen de technologie naar het hoogste niveau te tillen, dus we vertrouwen hier een beetje op het uiteinde van de distributie. We willen die staart krijgen, degenen die abnormaal goed presteren, omdat we de natuurkunde willen demonstreren, "zegt hij. "Uiteindelijk, we verwijderen degenen die niet van hoge kwaliteit zijn, en we houden degenen die het beste zijn."

De onderzoeken worden uitgevoerd bij lage temperaturen, ongeveer 4 kelvin - hoewel sommige zelfs kouder zijn, gemeten in millikelvin. "Een grote focus van ons laboratorium is alleen het bestuderen van elektriciteit in de vorm van hoe elektronen zich verplaatsen en om dat te doen, willen we het eerst afkoelen tot lage temperaturen, waarbij we alleen maar zien hoe het elektron zich primair gedraagt, en dan kunnen we ons ook zorgen maken over het ingewikkelder maken, " legt Sanchez-Yamagishi uit. Hij begeleidt ook huidige afgestudeerde studenten Yuan Cao en Jason Luo.

In september, Sanchez-Yamagishi begint aan een tweejarige postdoctorale fellowship aan het Harvard University Quantum Optics Center, waar hij onder leiding van hoofdonderzoeker Mikhail Lukin gaat werken aan stikstof-leegstandscentra in diamant. "Mijn achtergrond is elektronica in grafeen, dus het idee is om elektronen in grafeen te combineren met fotonen in diamanten, ' zegt hij. Hij hoopt uiteindelijk natuurkundeprofessor te worden.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.