Het is moeilijk te geloven dat een enkel materiaal met zoveel superlatieven kan worden beschreven als grafeen. Sinds de ontdekking in 2004, wetenschappers hebben ontdekt dat de kanten, honingraatachtige laag koolstofatomen - in wezen de meest microscopische scheerbeurt van een potlood die je je kunt voorstellen - is niet alleen het dunste materiaal dat ter wereld bekend is, maar ook ongelooflijk licht en flexibel, honderden keren sterker dan staal, en meer elektrisch geleidend dan koper.

Nu hebben natuurkundigen van MIT en Harvard University ontdekt dat het wondermateriaal nog merkwaardigere elektronische eigenschappen kan vertonen. In twee artikelen die vandaag zijn gepubliceerd in Natuur , het team meldt dat het grafeen kan afstemmen op twee elektrische uitersten:als isolator, waarin elektronen volledig worden geblokkeerd om te stromen; en als supergeleider, waar elektrische stroom zonder weerstand doorheen kan stromen.

Onderzoekers in het verleden, inclusief dit team, hebben grafeensupergeleiders kunnen synthetiseren door het materiaal in contact te brengen met andere supergeleidende metalen - een opstelling waardoor grafeen sommige supergeleidende gedragingen kan erven. Deze keer, het team vond een manier om zelf supergeleiding van grafeen te maken, wat aantoont dat supergeleiding een intrinsieke kwaliteit kan zijn in het puur op koolstof gebaseerde materiaal.

De natuurkundigen hebben dit bereikt door een "superrooster" te maken van twee grafeenplaten die op elkaar zijn gestapeld - niet precies op elkaar, maar een beetje gedraaid, onder een "magische hoek" van 1,1 graden. Als resultaat, het overlappen, zeshoekig honingraatpatroon is iets verschoven, het creëren van een precieze moiré-configuratie waarvan wordt voorspeld dat het vreemde, "sterk gecorreleerde interacties" tussen de elektronen in de grafeenvellen. In elke andere gestapelde configuratie, grafeen blijft liever onderscheiden, weinig interactie, elektronisch of anderszins, met zijn aangrenzende lagen.

Het team, onder leiding van Pablo Jarillo-Herrero, een universitair hoofddocent natuurkunde aan het MIT, ontdekte dat wanneer geroteerd onder de magische hoek, de twee vellen grafeen vertonen niet-geleidend gedrag, vergelijkbaar met een exotische klasse materialen die bekend staat als Mott-isolatoren. Toen de onderzoekers vervolgens spanning aanbrachten, het toevoegen van kleine hoeveelheden elektronen aan het superrooster van grafeen, dat vonden ze, op een bepaald niveau, de elektronen braken uit de oorspronkelijke isolerende toestand en stroomden zonder weerstand, als door een supergeleider.

"We kunnen grafeen nu gebruiken als een nieuw platform voor het onderzoeken van onconventionele supergeleiding, "Zegt Jarillo-Herrero. "Je kunt je ook voorstellen dat je een supergeleidende transistor maakt van grafeen, die u kunt in- en uitschakelen, van supergeleidend naar isolerend. Dat opent veel mogelijkheden voor kwantumapparaten."

Een kloof van 30 jaar

Het vermogen van een materiaal om elektriciteit te geleiden wordt normaal gesproken weergegeven in termen van energiebanden. Een enkele band vertegenwoordigt een reeks energieën die de elektronen van een materiaal kunnen hebben. Er is een energiekloof tussen banden, en als een band gevuld is, een elektron moet extra energie belichamen om deze kloof te overbruggen, om de volgende lege band te bezetten.

Een materiaal wordt als een isolator beschouwd als de laatst bezette energieband volledig gevuld is met elektronen. Elektrische geleiders zoals metalen, anderzijds, gedeeltelijk gevulde energiebanden vertonen, met lege energietoestanden die de elektronen kunnen vullen om vrij te bewegen.

Mott isolatoren, echter, zijn een klasse van materialen die uit hun bandstructuur verschijnen om elektriciteit te geleiden, maar gemeten, ze gedragen zich als isolatoren. specifiek, hun energiebanden zijn half gevuld, maar vanwege sterke elektrostatische interacties tussen elektronen (zoals ladingen van gelijk teken die elkaar afstoten), het materiaal geleidt geen elektriciteit. De halfgevulde band splitst zich in wezen in twee miniatuur, bijna platte banden, waarbij elektronen de ene band volledig bezetten en de andere leeg laten, en zich dus als een isolator gedragen.

"Dit betekent dat alle elektronen geblokkeerd zijn, dus het is een isolator vanwege deze sterke afstoting tussen de elektronen, zodat er niets kan stromen, " legt Jarillo-Herrero uit. "Waarom zijn Mott-isolatoren belangrijk? Het blijkt dat de moederverbinding van de meeste supergeleiders bij hoge temperaturen een Mott-isolator is."

Met andere woorden, wetenschappers hebben manieren gevonden om de elektronische eigenschappen van Mott-isolatoren te manipuleren om ze in supergeleiders te veranderen, bij relatief hoge temperaturen van ongeveer 100 Kelvin. Om dit te doen, ze "verdoven" het materiaal chemisch met zuurstof, waarvan de atomen elektronen aantrekken uit de Mott-isolator, waardoor er meer ruimte overblijft voor de resterende elektronen om te stromen. Als er voldoende zuurstof is toegevoegd, de isolator verandert in een supergeleider. Hoe deze overgang precies verloopt, Jarillo-Herrero zegt, is al 30 jaar een mysterie.

"Dit is een probleem dat al 30 jaar bestaat, onopgelost, "Zegt Jarillo-Herrero. "Deze hoge-temperatuur-supergeleiders zijn tot de dood bestudeerd, en ze hebben veel interessant gedrag. Maar we weten niet hoe we ze moeten uitleggen."

Een nauwkeurige rotatie

Jarillo-Herrero en zijn collega's zochten naar een eenvoudiger platform om dergelijke onconventionele fysica te bestuderen. Bij het bestuderen van de elektronische eigenschappen in grafeen, het team begon te spelen met eenvoudige stapels grafeenvellen. De onderzoekers creëerden superroosters met twee vellen door eerst een enkele schilfer grafeen van grafiet te exfoliëren, dan voorzichtig de helft van de vlok oppakken met een glasplaatje bedekt met een kleverige polymeer en een isolatiemateriaal van boornitride.

Ze draaiden toen het glasplaatje heel licht en pakten de tweede helft van de grafeenvlok op, vasthouden aan de eerste helft. Op deze manier, ze creëerden een superrooster met een offsetpatroon dat verschilt van het oorspronkelijke honingraatrooster van grafeen.

Het team herhaalde dit experiment, het maken van verschillende "apparaten, " of grafeen superroosters, met verschillende draaihoeken, tussen 0 en 3 graden. Ze bevestigden elektroden aan elk apparaat en maten een elektrische stroom die er doorheen ging, vervolgens de weerstand van het apparaat uitgezet, gegeven de hoeveelheid van de oorspronkelijke stroom die er doorheen ging.

"Als je in je rotatiehoek 0,2 graden afwijkt, alle natuurkunde is weg, " Zegt Jarillo-Herrero. "Er verschijnt geen supergeleiding of Mott-isolator. Je moet dus heel precies zijn met de uitlijningshoek."

Bij 1,1 graden - een rotatie waarvan is voorspeld dat het een "magische hoek" is - ontdekten de onderzoekers dat het grafeen-superrooster elektronisch leek op een platte bandstructuur, vergelijkbaar met een Mott-isolator, waarin alle elektronen dezelfde energie dragen, ongeacht hun momentum.

"Stel je voor dat het momentum voor een auto massa maal snelheid is, "zegt Jarillo-Herrero. "Als je 30 mijl per uur rijdt, je hebt een bepaalde hoeveelheid kinetische energie. Als je met 60 mijl per uur rijdt, je hebt veel meer energie, en als je crasht, je zou een veel groter object kunnen vervormen. Dit ding zegt, het maakt niet uit of je 30 of 60 of 100 mijl per uur rijdt, ze zouden allemaal dezelfde energie hebben."

"Stroom gratis"

Voor elektronen, Dit betekent dat, zelfs als ze een halfgevulde energieband bezetten, één elektron heeft niet meer energie dan enig ander elektron, om het in staat te stellen zich in die band te verplaatsen. Daarom, ook al zou zo'n halfgevulde bandstructuur als een geleider moeten werken, het gedraagt ​​zich in plaats daarvan als een isolator - en meer precies, een Mott-isolator.

Dit gaf het team een ​​idee:wat als ze elektronen konden toevoegen aan deze Mott-achtige superroosters, vergelijkbaar met hoe wetenschappers Mott-isolatoren met zuurstof doopten om ze in supergeleiders te veranderen? Zou grafeen op zijn beurt weer supergeleidende eigenschappen krijgen?

Er achter komen, ze pasten een kleine poortspanning toe op het "magische hoek grafeen superrooster, " kleine hoeveelheden elektronen aan de structuur toevoegen. individuele elektronen samengebonden met andere elektronen in grafeen, waardoor ze kunnen stromen waar ze voorheen niet konden. Gedurende, de onderzoekers bleven de elektrische weerstand van het materiaal meten, en ontdekten dat wanneer ze een bepaalde toevoegden, kleine hoeveelheid elektronen, de elektrische stroom vloeide zonder energie te dissiperen - net als een supergeleider.

"Je kunt gratis stroom laten lopen, geen energie verspild, en dit laat zien dat grafeen een supergeleider kan zijn, ' zegt Jarillo-Herrero.

Misschien nog belangrijker, hij zegt dat de onderzoekers grafeen kunnen afstemmen om zich te gedragen als een isolator of een supergeleider, en elke fase daartussenin, al deze verschillende eigenschappen in één enkel apparaat tentoonstellen. Dit in tegenstelling tot andere methoden, waarin wetenschappers honderden individuele kristallen hebben moeten groeien en manipuleren, die elk kunnen worden gemaakt om zich in slechts één elektronische fase te gedragen.

"Gebruikelijk, je moet verschillende klassen materialen kweken om elke fase te verkennen, " zegt Jarillo-Herrero. "We doen dit in-situ, in één keer, in een puur koolstofapparaat. We kunnen al die natuurkunde elektrisch in één apparaat onderzoeken, in plaats van honderden apparaten te moeten maken. Eenvoudiger kan het niet worden."