Sinds de ontdekking van grafeen meer dan 15 jaar geleden, onderzoekers zijn in een wereldwijde race verwikkeld om zijn unieke eigenschappen te ontgrendelen. Niet alleen is grafeen - een één atoom dik vel koolstof gerangschikt in een hexagonaal rooster - de sterkste, dunste materiaal dat de mens kent, het is ook een uitstekende geleider van warmte en elektriciteit.

Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers van de Columbia University en de University of Washington heeft ontdekt dat een verscheidenheid aan exotische elektronische toestanden, waaronder een zeldzame vorm van magnetisme, kan ontstaan ​​in een drielaagse grafeenstructuur.

De bevindingen verschijnen in een artikel dat op 12 oktober is gepubliceerd in Natuurfysica .

Het werk is geïnspireerd op recente studies van gedraaide monolagen of gedraaide dubbellagen van grafeen, bestaande uit twee of vier totale vellen. Deze materialen bleken een reeks ongebruikelijke elektronische toestanden te bevatten, aangedreven door sterke interacties tussen elektronen.

"We vroegen ons af wat er zou gebeuren als we grafeenmonolagen en dubbellagen zouden combineren tot een verdraaid drielagensysteem, " zei Cory Dean, een professor in de natuurkunde aan de Columbia University en een van de senior auteurs van het artikel. "We ontdekten dat het variëren van het aantal grafeenlagen deze composietmaterialen een aantal opwindende nieuwe eigenschappen geeft die nog niet eerder waren gezien."

Naast decaan, Universitair docent Matthew Yankowitz en professor Xiaodong Xu, zowel in de afdelingen natuurkunde en materiaalkunde en techniek aan de Universiteit van Washington, zijn senior auteurs van het werk. Columbia afgestudeerde student Shaowen Chen, en Minhao He, afgestudeerd student aan de Universiteit van Washington, zijn de co-hoofdauteurs van de paper.

Om hun experiment uit te voeren, de onderzoekers stapelden een enkellaags vel grafeen op een dubbellaags vel en verdraaiden ze met ongeveer 1 graad. Bij temperaturen enkele graden boven het absolute nulpunt, het team observeerde een reeks isolerende toestanden - die geen elektriciteit geleiden - aangedreven door sterke interacties tussen elektronen. Ze ontdekten ook dat deze toestanden konden worden gecontroleerd door een elektrisch veld over de grafeenplaten aan te leggen.

"We hebben geleerd dat de richting van een aangelegd elektrisch veld er veel toe doet, " zei Yankowitz, die ook een voormalig postdoctoraal onderzoeker is in de groep van Dean.

Toen de onderzoekers het elektrische veld op de monolaag grafeenplaat richtten, het systeem leek op gedraaid dubbellaags grafeen. Maar toen ze de richting van het elektrische veld omdraaiden en het naar de dubbellaagse grafeenplaat richtten, het bootst gedraaid dubbel dubbellaags grafeen na - de vierlaagse structuur.

Het team ontdekte ook nieuwe magnetische toestanden in het systeem. In tegenstelling tot conventionele magneten, die worden aangedreven door een kwantummechanische eigenschap van elektronen genaamd "spin, " een collectieve wervelende beweging van de elektronen in de drielaagse structuur van het team ligt ten grondslag aan het magnetisme, zij observeerden.

Deze vorm van magnetisme is onlangs door andere onderzoekers ontdekt in verschillende structuren van grafeen dat op kristallen van boornitride rust. Het team heeft nu aangetoond dat het ook kan worden waargenomen in een eenvoudiger systeem dat volledig met grafeen is gebouwd.

"Pure koolstof is niet magnetisch, " zei Yankowitz. "Opmerkelijk, we kunnen deze eigenschap ontwikkelen door onze drie grafeenplaten in precies de juiste draaihoeken te plaatsen."

Naast het magnetisme, de studie ontdekte tekenen van topologie in de structuur. Vergelijkbaar met het leggen van verschillende soorten knopen in een touw, de topologische eigenschappen van het materiaal kunnen leiden tot nieuwe vormen van informatieopslag, die "kan een platform zijn voor kwantumberekening of nieuwe soorten energie-efficiënte toepassingen voor gegevensopslag, ' zei Xu.

Voor nu, ze werken aan experimenten om de fundamentele eigenschappen van de nieuwe staten die ze in dit platform hebben ontdekt beter te begrijpen. "Dit is eigenlijk nog maar het begin, ' zei Yankowitz.