Wanneer twee mesh-schermen over elkaar heen worden gelegd, prachtige patronen verschijnen wanneer één scherm wordt verschoven. Deze "moiré-patronen" hebben kunstenaars al lang geïntrigeerd, wetenschappers en wiskundigen en hebben toepassingen gevonden in het drukken, mode en bankbiljetten.

Nutsvoorzieningen, een door Rutgers geleid team heeft de weg vrijgemaakt voor het oplossen van een van de meest blijvende mysteries in de materiaalfysica door te ontdekken dat in de aanwezigheid van een moirépatroon in grafeen, elektronen organiseren zich in strepen, als soldaten in formatie.

Hun bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , zou kunnen helpen bij het zoeken naar kwantummaterialen, zoals supergeleiders, dat zou werken bij kamertemperatuur. Dergelijke materialen zouden het energieverbruik drastisch verminderen door de krachtoverbrenging en elektronische apparaten efficiënter te maken.

"Onze bevindingen bieden een essentiële aanwijzing voor het mysterie dat een vorm van grafeen verbindt, genaamd gedraaid dubbellaags grafeen, tot supergeleiders die bij kamertemperatuur zouden kunnen werken, " zei senior auteur Eva Y. Andrei, Professor van de Raad van Bestuur bij de afdeling Natuur- en Sterrenkunde van de School of Arts and Sciences aan de Rutgers University-New Brunswick.

Grafeen - een atomair dunne laag van het grafiet dat in potloden wordt gebruikt - is een gaas gemaakt van koolstofatomen dat eruitziet als een honingraat. Het is een geweldige geleider van elektriciteit en veel sterker dan staal.

Het door Rutgers geleide team bestudeerde gedraaid dubbellaags grafeen, gemaakt door twee lagen grafeen over elkaar heen te leggen en ze enigszins verkeerd uit te lijnen. Hierdoor ontstaat een "draaihoek" die resulteert in een moirépatroon dat snel verandert wanneer de draaihoek verandert.

In 2010, Andrei's team ontdekte dat naast mooi, moiré-patronen gevormd met gedraaid dubbellaags grafeen hebben een dramatisch effect op de elektronische eigenschappen van het materiaal. Dit komt omdat het moiré-patroon de elektronen vertraagt ​​die elektriciteit in grafeen geleiden en met grote snelheden langs elkaar vliegen.

Bij een draaihoek van ongeveer 1,1 graad - de zogenaamde magische hoek - komen deze elektronen bijna tot stilstand. De trage elektronen beginnen elkaar te zien en communiceren met hun buren om in lock-step te bewegen. Als resultaat, het materiaal verkrijgt verbazingwekkende eigenschappen zoals supergeleiding of magnetisme.

Met behulp van een techniek uitgevonden door Andrei's groep om gedraaid dubbellaags grafeen te bestuderen, het team ontdekte een toestand waarin de elektronen zichzelf organiseren in strepen die robuust en moeilijk te doorbreken zijn.

"Ons team vond een sterke gelijkenis tussen deze functie en soortgelijke waarnemingen in supergeleiders bij hoge temperaturen, het leveren van nieuw bewijs van de diepe link die ten grondslag ligt aan deze systemen en het openen van de weg naar het ontrafelen van hun blijvende mysterie, ' zei Andrei.