Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van de Universiteit van Manchester heeft een nanomateriaal onthuld dat het 'magische hoek'-effect weerspiegelt dat oorspronkelijk werd gevonden in een complexe door de mens gemaakte structuur die bekend staat als gedraaid dubbellaags grafeen - een belangrijk onderzoeksgebied in de natuurkunde in de afgelopen jaren.

Het nieuwe onderzoek toont aan dat de speciale topologie van rhomboëdrisch grafiet effectief een ingebouwde "draai" biedt en daarom een ​​alternatief medium biedt om potentieel baanbrekende effecten zoals supergeleiding te bestuderen. "Het is een interessant alternatief voor zeer populaire studies van grafeen met een magische hoek", zegt grafeenpionier professor Sir Andre Geim, een co-auteur van de studie.

Het team, geleid door Artem Mishchenko, Professor in de fysica van de gecondenseerde materie aan de Universiteit van Manchester publiceerde zijn bevindingen in het tijdschrift Natuur op 12 augustus 2020.

"Rhomboëdrisch grafiet kan helpen om materialen beter te begrijpen waarin sterke elektronische correlaties belangrijk zijn, zoals zware-fermionverbindingen en supergeleiders bij hoge temperaturen", zei professor Mishchenko.

Een eerdere stap voorwaarts in tweedimensionaal materiaalonderzoek was het merkwaardige gedrag dat het stapelen van een vel grafeen op elkaar en het draaien ervan tot een 'magische hoek' de eigenschappen van de dubbellaag veranderde, veranderen in een supergeleider.

Professor Mishchenko en zijn collega's hebben nu de opkomst waargenomen van sterke elektron-elektron-interacties in een zwak stabiele rhomboëdrische vorm van grafiet - de vorm waarin grafeenlagen iets anders stapelen in vergelijking met stabiele hexagonale vorm.

Interacties in gedraaid dubbellaags grafeen zijn uitzonderlijk gevoelig voor de draaihoek. Kleine afwijkingen van ongeveer 0,1 graad van de exacte magische hoek onderdrukken sterk interacties. Het is buitengewoon moeilijk om apparaten met de vereiste nauwkeurigheid te maken en, vooral, voldoende uniforme vinden om de opwindende natuurkunde te bestuderen. De nieuw gepubliceerde bevindingen over rhomboëdrisch grafiet hebben nu een alternatieve route geopend voor het nauwkeurig maken van supergeleiders.

Grafiet, een koolstofmateriaal dat bestaat uit gestapelde grafeenlagen, heeft twee stabiele vormen:zeshoekig en rhomboëdrisch. De eerste is stabieler, en is dus uitgebreid bestudeerd, terwijl dat laatste minder is.

Om het nieuwe resultaat beter te begrijpen, het is belangrijk om te onthouden dat de grafeenlagen op verschillende manieren zijn gestapeld in deze twee vormen van grafiet. Zeshoekig grafiet (de vorm van koolstof die wordt aangetroffen in potlood) is samengesteld uit grafeenlagen die ordelijk op elkaar zijn gestapeld. De metastabiele rhomboëdrische vorm heeft een iets andere stapelvolgorde, en dit kleine verschil leidt tot een drastische verandering in het elektronische spectrum.

Eerdere theoretische studies hebben gewezen op het bestaan ​​van allerlei soorten fysica van vele lichamen in de oppervlaktetoestanden van rhomboëdrisch grafiet, inclusief magnetische ordening bij hoge temperatuur en supergeleiding. Deze voorspellingen konden niet worden geverifieerd, echter, aangezien elektronentransportmetingen op het materiaal tot nu toe volledig ontbraken.

Het Manchester-team bestudeert al enkele jaren zeshoekige grafietfilms en heeft geavanceerde technologieën ontwikkeld om monsters van hoge kwaliteit te produceren. Een van hun technieken omvat het inkapselen van de films met een atomair vlakke isolator, hexagonaal boornitride (hBN), die dient om de hoge elektronische kwaliteit in de resulterende hBN/hexagonale grafiet/hBN heterostructuren te behouden. In hun nieuwe experimenten met rhomboëdrisch grafiet, de onderzoekers pasten hun technologie aan om de fragiele stapelvolgorde van deze minder stabiele vorm van grafiet te behouden.

De onderzoekers beeldden hun monsters af, die tot 50 lagen grafeen bevatte, met behulp van Raman-spectroscopie om te bevestigen dat de stapelvolgorde in het materiaal intact bleef en dat het van hoge kwaliteit was. Vervolgens maten ze de elektronische transporteigenschappen van hun monsters op de traditionele manier - door de weerstand van het materiaal vast te leggen terwijl ze de temperatuur en de sterkte van een magnetisch veld erop veranderden.

De energiekloof kan ook worden geopend in de oppervlaktetoestanden van rhomboëdrisch grafiet door een elektrisch veld aan te leggen, legt professor Mishchenko uit:"De opening van de oppervlaktetoestandspleet, die theoretisch was voorspeld, is ook een onafhankelijke bevestiging van de rhomboëdrische aard van de monsters, aangezien een dergelijk fenomeen verboden is in hexagonaal grafiet."

In rhomboëdrische grafiet dunner dan 4nm, er is zelfs een bandgap aanwezig zonder een extern elektrisch veld aan te leggen. De onderzoekers zeggen dat ze nog niet zeker zijn van de exacte aard van deze spontane opening (die optreedt bij de "ladingsneutraliteit" - het punt waarop dichtheden van elektronen en gaten in evenwicht zijn), maar ze zijn druk bezig met het beantwoorden van deze vraag.

"Uit onze experimenten in het quantum Hall-regime, we zien dat de kloof van een kwantumspin Hall-aard is, maar we weten niet of de spontane opening van de opening bij de ladingsneutraliteit van dezelfde oorsprong is, " voegt professor Mishchenko toe. "In ons geval, deze opening ging gepaard met hysteretisch gedrag van de weerstand van het materiaal als functie van aangelegde elektrische of magnetische velden. Deze hysterese (waarbij de weerstandsverandering achterblijft bij de aangelegde velden) impliceert dat er verschillende elektronische gapped fasen zijn die zijn gescheiden in domeinen - en deze zijn typerend voor sterk gecorreleerde materialen."

Verder onderzoek van rhomboëdrisch grafiet zou meer licht kunnen werpen op de oorsprong van veellichamenverschijnselen in sterk gecorreleerde materialen zoals zware fermionverbindingen en hoge-temperatuur supergeleiders, om maar twee voorbeelden te noemen.