Wetenschappers kunnen ambitieuze doelen hebben:ziekte genezen, verre werelden verkennen, schone energie revoluties. In natuurkunde en materiaalonderzoek, enkele van deze ambitieuze doelen zijn om gewoon klinkende objecten te maken met buitengewone eigenschappen:draden die stroom kunnen transporteren zonder enig energieverlies, of kwantumcomputers die complexe berekeningen kunnen uitvoeren die de huidige computers niet kunnen. En de opkomende werkbanken voor de experimenten die ons geleidelijk in de richting van deze doelen brengen, zijn 2D-materialen - vellen materiaal die een enkele laag atomen dik zijn.

In een paper gepubliceerd op 14 september in het tijdschrift Natuurfysica , een team onder leiding van de Universiteit van Washington meldt dat zorgvuldig geconstrueerde stapels grafeen - een 2D-vorm van koolstof - sterk gecorreleerde elektroneneigenschappen kunnen vertonen. Het team vond ook bewijs dat dit soort collectief gedrag waarschijnlijk verband houdt met de opkomst van exotische magnetische toestanden.

"We hebben een experimentele opstelling gemaakt waarmee we elektronen in de grafeenlagen op een aantal opwindende nieuwe manieren kunnen manipuleren, " zei co-senior auteur Matthew Yankowitz, een UW-assistent-professor natuurkunde en materiaalkunde en techniek, evenals een facultaire onderzoeker bij het Clean Energy Institute van de UW.

Yankowitz leidde het team met co-senior auteur Xiaodong Xu, een UW hoogleraar natuurkunde en materiaalkunde en techniek. Xu is ook facultair onderzoeker bij het UW Molecular Engineering and Sciences Institute, het UW Institute for Nano-Engineered Systems en het UW Clean Energy Institute.

Aangezien 2D-materialen één laag atomen dik zijn, bindingen tussen atomen vormen zich alleen in twee dimensies en deeltjes zoals elektronen kunnen alleen bewegen als stukken in een bordspel:zij aan zij, van voren naar achteren of diagonaal, maar niet omhoog of omlaag. Deze beperkingen kunnen 2D-materialen eigenschappen geven die hun 3D-tegenhangers missen, en wetenschappers hebben 2D-platen van verschillende materialen onderzocht om deze potentieel bruikbare eigenschappen te karakteriseren en te begrijpen.

Maar het afgelopen decennium is wetenschappers zoals Yankowitz zijn ook begonnen met het in lagen aanbrengen van 2D-materialen - zoals een stapel pannenkoeken - en hebben ontdekt dat, indien gestapeld en gedraaid in een bepaalde configuratie en blootgesteld aan extreem lage temperaturen, deze lagen kunnen exotische en onverwachte eigenschappen vertonen.

Het UW-team werkte met bouwstenen van dubbellaags grafeen:twee lagen grafeen die van nature op elkaar lagen. Ze stapelden de ene dubbellaag op de andere - voor in totaal vier grafeenlagen - en verdraaiden ze zodat de lay-out van koolstofatomen tussen de twee dubbellagen enigszins scheef was. Eerder onderzoek heeft aangetoond dat het introduceren van deze kleine draaihoeken tussen enkele lagen of dubbellagen van grafeen grote gevolgen kan hebben voor het gedrag van hun elektronen. Met specifieke configuraties van het elektrische veld en de ladingsverdeling over de gestapelde dubbellagen, elektronen vertonen sterk gecorreleerd gedrag. Met andere woorden, ze beginnen allemaal hetzelfde te doen - of vertonen dezelfde eigenschappen - op hetzelfde moment.

"In deze gevallen het heeft geen zin meer om te beschrijven wat een individueel elektron doet, maar wat alle elektronen tegelijk doen, ' zei Yankowitz.

"Het is alsof je een kamer vol mensen hebt waarin een verandering in het gedrag van een persoon ervoor zorgt dat alle anderen op dezelfde manier reageren, " zei hoofdauteur Minhao He, een UW-promovendus in de natuurkunde en een voormalig fellow van het Clean Energy Institute.

De kwantummechanica ligt ten grondslag aan deze gecorreleerde eigenschappen, en aangezien de gestapelde grafeendubbellagen een dichtheid hebben van meer dan 10^12, of een biljoen, elektronen per vierkante centimeter, veel elektronen gedragen zich collectief.

Het team probeerde enkele van de mysteries van de gecorreleerde staten te ontrafelen in hun experimentele opstelling. Bij temperaturen van slechts enkele graden boven het absolute nulpunt, het team ontdekte dat ze het systeem konden "afstemmen" in een soort gecorreleerde isolatietoestand - waar het geen elektrische lading zou geleiden. In de buurt van deze isolerende staten, het team vond zakken met zeer geleidende toestanden met kenmerken die op supergeleiding leken.

Hoewel andere teams onlangs deze toestanden hebben gemeld, de oorsprong van deze functies bleef een mysterie. Maar het werk van het UW-team heeft bewijs gevonden voor een mogelijke verklaring. Ze ontdekten dat deze toestanden lijken te worden aangedreven door een kwantummechanische eigenschap van elektronen die 'spin' wordt genoemd - een soort impulsmoment. In regio's in de buurt van de gecorreleerde isolatietoestanden, ze vonden bewijs dat alle elektronenspins spontaan op één lijn liggen. Dit kan erop wijzen dat, in de buurt van de regio's met gecorreleerde isolatietoestanden, er ontstaat een vorm van ferromagnetisme - geen supergeleiding. Maar aanvullende experimenten zouden dit moeten verifiëren.

Deze ontdekkingen zijn het nieuwste voorbeeld van de vele verrassingen die in petto zijn bij het uitvoeren van experimenten met 2D-materialen.

"Veel van wat we in deze onderzoekslijn doen, is proberen te creëren, opkomende elektronische toestanden begrijpen en beheersen, die gecorreleerd of topologisch kan zijn, of beide eigenschappen bezitten, " zei Xu. "We kunnen in de toekomst veel doen met deze toestanden - een vorm van kwantumcomputing, een nieuw apparaat voor het oogsten van energie, of een aantal nieuwe soorten sensoren, bijvoorbeeld - en eerlijk gezegd zullen we het pas weten als we het proberen."

Ondertussen, stapels verwachten, dubbellagen en draaihoeken om golven te blijven maken.