Gemaakt van een enkele laag koolstofatomen verbonden in een zeshoekig honingraatpatroon, De structuur van grafeen is eenvoudig en schijnbaar delicaat. Sinds de ontdekking in 2004, wetenschappers hebben ontdekt dat grafeen in feite uitzonderlijk sterk is. En hoewel grafeen geen metaal is, het geleidt elektriciteit met ultrahoge snelheden, beter dan de meeste metalen.

in 2018, MIT-wetenschappers onder leiding van Pablo Jarillo-Herrero en Yuan Cao ontdekten dat wanneer twee vellen grafeen op elkaar worden gestapeld in een enigszins verschoven "magische" hoek, de nieuwe "gedraaide" grafeenstructuur kan ofwel een isolator worden, het volledig blokkeren van elektriciteit door het materiaal te stromen, of paradoxaal genoeg, een supergeleider, elektronen zonder weerstand door kunnen laten vliegen. Het was een monumentale ontdekking die hielp bij het lanceren van een nieuw veld dat bekend staat als "twistronica, " de studie van elektronisch gedrag in verwrongen grafeen en andere materialen.

Nu rapporteert het MIT-team hun laatste ontwikkelingen in grafeen twistronics, in twee artikelen die deze week in het tijdschrift zijn gepubliceerd Natuur .

In de eerste studie, de onderzoekers, samen met medewerkers van het Weizmann Institute of Science, voor het eerst een volledige gedraaide grafeenstructuur in beeld hebben gebracht en in kaart hebben gebracht, met een resolutie die zo fijn is dat ze zeer kleine variaties in de lokale draaihoek over de hele structuur kunnen zien.

De resultaten onthulden gebieden binnen de structuur waar de hoek tussen de grafeenlagen iets afweek van de gemiddelde offset van 1,1 graden.

Het team detecteerde deze variaties met een ultrahoge hoekresolutie van 0,002 graden. Dat komt overeen met het kunnen zien van de hoek van een appel tegen de horizon van een mijl afstand.

Ze ontdekten dat structuren met een kleiner bereik van hoekvariaties meer uitgesproken exotische eigenschappen hadden, zoals isolatie en supergeleiding, versus constructies met een breder scala aan draaihoeken.

"Dit is de eerste keer dat een volledig apparaat in kaart is gebracht om te zien wat de draaihoek is in een bepaald gebied in het apparaat, " zegt Jarillo-Herrero, de Cecil en Ida Green hoogleraar natuurkunde aan het MIT. "En we zien dat je een beetje variatie kunt hebben en toch supergeleiding en andere exotische fysica kunt laten zien, maar het kan niet te veel zijn. We hebben nu gekarakteriseerd hoeveel draaivariatie je kunt hebben, en wat is het degradatie-effect van te veel hebben."

In de tweede studie het team rapporteert het creëren van een nieuwe verwrongen grafeenstructuur met niet twee, maar vier lagen grafeen. Ze merkten op dat de nieuwe vierlaagse magische hoekstructuur gevoeliger is voor bepaalde elektrische en magnetische velden in vergelijking met zijn tweelaagse voorganger. Dit suggereert dat onderzoekers de exotische eigenschappen van grafeen met een magische hoek gemakkelijker en controleerbaarder kunnen bestuderen in vierlaagse systemen.

"Deze twee onderzoeken zijn bedoeld om het raadselachtige fysieke gedrag van magische twistronics-apparaten beter te begrijpen, " zegt Cao, een afgestudeerde student aan het MIT. "Eens begrepen, natuurkundigen geloven dat deze apparaten kunnen helpen bij het ontwerpen en bouwen van een nieuwe generatie supergeleiders voor hoge temperaturen, topologische apparaten voor de verwerking van kwantuminformatie, en energiezuinige technologieën."

Zoals rimpels in plasticfolie

Sinds Jarillo-Herrero en zijn groep voor het eerst magische hoekgrafeen ontdekten, anderen hebben de kans gegrepen om de eigenschappen ervan te observeren en te meten. Verschillende groepen hebben magische hoekstructuren in beeld gebracht, met behulp van scanning tunneling microscopie, of STM, een techniek die een oppervlak scant op atomair niveau. Echter, onderzoekers hebben alleen kleine stukjes grafeen met magische hoek kunnen scannen, van maximaal een paar honderd vierkante nanometer, deze aanpak gebruiken.

"Een volledige structuur op micronschaal bekijken om naar miljoenen atomen te kijken, is iets waar STM niet het meest geschikt voor is, " zegt Jarillo-Herrero. "In principe zou het kunnen, maar het zou enorm veel tijd kosten."

Dus overlegde de groep met onderzoekers van het Weizmann Institute for Science, die een scantechniek hadden ontwikkeld die ze 'scanning nano-SQUID' noemen, " where SQUID stands for Superconducting Quantum Interference Device. Conventional SQUIDs resemble a small bisected ring, the two halves of which are made of superconducting material and joined together by two junctions. Fit around the tip of a device similar to an STM, a SQUID can measure a sample's magnetic field flowing through the ring at a microscopic scale. The Weizmann Institute researchers scaled down the SQUID design to sense magnetic fields at the nanoscale.

When magic-angle graphene is placed in a small magnetic field, it generates persistent currents across the structure, due to the formation of what are known as "Landau levels." These Landau levels, and hence the persistent currents, are very sensitive to the local twist angle, bijvoorbeeld, resulting in a magnetic field with a different magnitude, depending on the precise value of the local twist angle. Op deze manier, the nano-SQUID technique can detect regions with tiny offsets from 1.1 degrees.

"It turned out to be an amazing technique that can pick up miniscule angle variations of 0.002 degrees away from 1.1 degrees, " Jarillo-Herrero says. "This was very good for mapping magic-angle graphene."

The group used the technique to map two magic-angle structures:one with a narrow range of twist variations, and another with a broader range.

"We placed one sheet of graphene on top of another, similar to placing plastic wrap on top of plastic wrap, " Jarillo-Herrero says. "You would expect there would be wrinkles, and regions where the two sheets would be a bit twisted, some less twisted, just as we see in graphene."

They found that the structure with a narrower range of twist variations had more pronounced properties of exotic physics, such as superconductivity, compared with the structure with more twist variations.

"Now that we can directly see these local twist variations, it might be interesting to study how to engineer variations in twist angles to achieve different quantum phases in a device, " Cao says.

Tunable physics

Over the past two years, researchers have experimented with different configurations of graphene and other materials to see whether twisting them at certain angles would bring out exotic physical behavior. Jarillo-Herrero's group wondered whether the fascinating physics of magic-angle graphene would hold up if they expanded the structure, to offset not two, but four graphene layers.

Since graphene's discovery nearly 15 years ago, a huge amount of information has been revealed about its properties, not just as a single sheet, but also stacked and aligned in multiple layers—a configuration that is similar to what you find in graphite, or pencil lead.

"Bilayer graphene—two layers at a 0-degree angle from each-other—is a system whose properties we understand well, " Jarillo-Herrero says. "Theoretical calculations have shown that in a bilayer-on-top-of-bilayer structure, the range of angles over which interesting physics would happen is larger. So this type of structure might be more forgiving in terms of making devices."

Partly inspired by this theoretical possibility, the researchers fabricated a new magic-angle structure, offsetting one graphene bilayer with another bilayer by 1.1 degrees. They then connected the new "double-layer" twisted structure to a battery, applied a voltage, and measured the current that flowed through the device as they placed the structure under various conditions, such as a magnetic field, and a perpendicular electric field.

Just like magic-angle structures made from two layers of graphene, the new four-layered structure showed an exotic insulating behavior. But uniquely, the researchers were able to tune this insulating property up and down with an electric field—something that's not possible with two-layered magic-angle graphene.

"This system is highly tunable, meaning we have a lot of control, which will allow us to study things we cannot understand with monolayer magic-angle graphene, " Cao says.

"It's still very early in the field, " Jarillo-Herrero says. "For the moment, the physics community is still fascinated just by the phenomena of it. People fantasize about what type of devices we could make but realize it's still too early and we have so much yet to learn about these systems."

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.