Twee atomair dunne carbonplaten op elkaar gestapeld, dubbellaags grafeen genoemd, vertonen unieke eigenschappen wanneer een van de lagen onder een bepaalde hoek wordt gedraaid - een "magische" hoek. De studie van magie en andere hoekafwijkingen tussen twee materiaallagen en hun effecten op materiaaleigenschappen wordt twistronics genoemd, een snel groeiend gebied van de fysica van de gecondenseerde materie.

Om twistronics naar de macroschaal te brengen, een team van Penn State-onderzoekers heeft een akoestisch equivalent van dubbellaags grafeen met magische hoek ontworpen. Hun paper werd onlangs aanvaard in Fysieke beoordeling B:snelle communicatie .

"Het onderzoeken van analogen van fysica-concepten van gecondenseerde materie kan ons nieuwe ideeën en toepassingen in de akoestiek geven, " zei Yun Jing, universitair hoofddocent akoestiek en biomedische technologie.

In een simulatie, het onderzoeksteam bouwde het akoestische ontwerp van een vlakke plaat met een hexagonaal gatenpatroon analoog aan de rangschikking van atomen in grafeen op nanoschaal. Ze voegden nog een grafeenachtige plaatlaag toe, het uitlijnen van de platen maar het verlaten van een verticale luchtspleet tussen de twee, en draaide de bovenplaat. Deze draai creëerde een karakteristiek Moiré-patroon - ook te zien in typisch grafeen met een magische hoek - als gevolg van twee over elkaar liggende vergelijkbare patronen waarvan er één enigszins is geroteerd of verschoven.

Onderzoekers simuleerden vervolgens de beweging van geluidsgolven binnen de array. Ze ontdekten dat wanneer golven zich onder bepaalde draaihoeken tussen de platen voortplanten, akoestische energie concentreerde zich rond specifieke delen van het Moiré-patroon waar gaten in de bovenste en onderste lagen op één lijn lagen. Dit gedrag, zeiden de onderzoekers, spiegelde het gedrag van elektronen in grafeen met een magische hoek op atomaire schaal.

"Elektronen die door materialen zoals grafeen bewegen, zijn wiskundig vergelijkbaar met akoestische golven die door de lucht bewegen tussen repetitieve structuren, " zei Yuanchen Deng, doctoraalstudent akoestiek.

Deze overeenkomsten kunnen onderzoekers helpen bij het theoretisch verkennen van verdere toepassingen van conventioneel magisch-hoekgrafeen zonder de beperkingen die gepaard gaan met het experimenteren ermee, zei de ploeg. Hun akoestische systeem zou gemakkelijker te fabriceren zijn in een laboratorium omdat het niet op nanoschaal is ontworpen. Jing zei, en de draai zou gemakkelijker te controleren zijn gezien de grotere omvang van het monster.

De onderzoekers ontdekten ook dat hun opstelling nieuwe mogelijkheden creëerde voor het verkennen van magische hoeken, waarvoor bestaand onderzoek zich heeft gericht op kleine hoeken onder de drie graden. De onderzoekers konden de afstand tussen de grafeenplaten manipuleren om de magische hoek te regelen - iets dat extreem moeilijk is voor grafeen met een magische hoek op nanoschaal. De onderzoekers ontdekten dat hun ontwikkeling een veel groter aantal magische hoeken opleverde dan eerder werd gedacht.

"Met een grotere draaihoek, we kunnen de grootte van de structuur verkleinen, "Zei Jing. "Samples zullen gemakkelijker te simuleren en uiteindelijk te fabriceren zijn."

De concentratie van golfenergie op bepaalde locaties van de akoestische grafeenarray zou toepassingen kunnen hebben voor het oogsten van energie. Als de grafeenplaten zijn ontworpen om piëzo-elektrisch te zijn in de gebieden waar de akoestische energie is beperkt, ze konden mechanische energie van akoestische golftrillingen omzetten in elektrische energie. Met verder onderzoek, grafeen met akoestische magische hoek kan geschikt worden voor het verzamelen van energie in verschillende scenario's.

De onderzoekers zijn van plan om verdere mogelijkheden voor de akoestische magische hoek grafeen te onderzoeken en hun onderzoek uit te breiden naar gebieden met verschillende soorten golven.

"Door deze dubbellaagse opstelling op macroscopische schaal te brengen, je kunt experimenteren met verschillende structuren en golven, "Zei Deng. "Ons systeem is akoestisch, maar kan feedback geven voor elk systeem dat wiskundige functies gebruikt die vergelijkbaar zijn met golfvergelijkingen."