Iets meer dan een jaar nadat onderzoekers van MIT de natuurkundige wereld verbaasden met de ontdekking van de "magische hoek" voor gestapelde vellen grafeen, onderzoekers van Caltech hebben dit materiaal rechtstreeks waargenomen en bestudeerd met behulp van een scanning tunneling-microscoop die elektronische eigenschappen op atomaire lengteschalen kan afbeelden.

Het begrijpen van de "magische hoek" - een specifieke oriëntatie tussen het gestapelde grafeen dat speciale elektrische eigenschappen oplevert - zou de weg kunnen banen voor het realiseren van de droom van supergeleiders bij kamertemperatuur, die enorme elektrische stromen zou kunnen overbrengen terwijl ze geen warmte produceren.

Maar eerst:wat is de magische hoek? Stel dat je twee vellen grafeen neemt - één-atoom dikke roosters van koolstofatomen - en op elkaar legt om een ​​dubbellaags materiaal te creëren, draai vervolgens een van de vellen grafeen om hun oriëntatie naar elkaar te verschuiven. Naarmate de oriëntatie verschuift, de elektronische eigenschappen van het dubbellaagse materiaal veranderen mee. Begin 2018, onderzoekers van MIT ontdekten dat, bij een bepaalde oriëntatie (ongeveer 1,1 graden relatieve draaiing), het dubbellaags materiaal, verrassend genoeg, supergeleidend wordt en bovendien de supergeleidende eigenschappen kunnen worden geregeld met de elektrische velden. Hun ontdekking lanceerde een nieuw onderzoeksgebied naar magisch hoekgeoriënteerd grafeen, bekend als 'twistronica'.

Ingenieurs en natuurkundigen van Caltech hebben voortgebouwd op die ontdekking door een beeld te genereren van de atomaire structuur en elektronische eigenschappen van magisch hoekgedraaid grafeen. het opleveren van nieuw inzicht in het fenomeen door een directere manier te bieden om het te bestuderen. Een paper over hun werk werd gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica op 5 augustus

"Dit trekt de sluier van twistronics terug, " zegt Stevan Nadj-Perge van Caltech, corresponderende auteur van de paper en assistent-professor toegepaste natuurkunde en materiaalkunde in de afdeling Engineering and Applied Science.

Onderzoek naar de magische hoek vereist een extreme mate van precisie om de twee vellen grafeen precies in de juiste hoek uit te lijnen. Oude technieken om dit te doen, vereisten het inbedden van het grafeen in een isolerend materiaal, die de ongelukkige bijwerking had dat directe studie van het monster werd voorkomen. In plaats daarvan, onderzoekers moesten indirecte methoden gebruiken om het grafeenmonster te onderzoeken, bijvoorbeeld door te meten hoe elektronen er doorheen stromen. Nadj-Perge en zijn collega's ontwikkelden een nieuwe methode voor het maken van monsters van magisch onder een hoek gedraaid grafeen dat kan worden gebruikt om de twee vellen grafeen heel precies uit te lijnen, terwijl het voor directe observatie wordt blootgesteld.

Met behulp van deze techniek, de onderzoekers konden meer te weten komen over de elektronische eigenschappen van het materiaal bij de magische hoek en ook bestuderen hoe deze eigenschappen veranderen als de draaihoek van de magische waarde af beweegt. Hun werk leverde verschillende belangrijke inzichten op die als leidraad zullen dienen voor toekomstige theoretische modellering en experimenten, inclusief de observatie dat de elektronische correlatie een belangrijke rol speelt in de buurt van het ladingsneutraliteitspunt - de hoek waaronder de dubbellaag elektronisch neutraal is.

"Eerder, men dacht dat correlatie-effecten geen grote rol spelen bij ladingsneutraliteit, "zegt Nadj-Perge. "Dichtbij, meer gedetailleerd onderzoek van dit soort monsters zou ons kunnen helpen verklaren waarom de exotische elektronische effecten in de buurt van de magische hoek bestaan. Als we dat eenmaal weten, we zouden kunnen helpen de weg vrij te maken voor nuttige toepassingen ervan, misschien zelfs leidend tot supergeleiding bij kamertemperatuur op een dag."

Het artikel is getiteld "Elektronische correlaties in gedraaid dubbellaags grafeen nabij de magische hoek."