Een blad van met een magische hoek gedraaid dubbellaags grafeen kan nieuwe topologische fasen van materie bevatten, een onderzoek heeft uitgewezen.

Magische hoek gedraaid grafeen, voor het eerst ontdekt in 2018, is gemaakt van twee vellen grafeen (een vorm van koolstof bestaande uit een enkele laag atomen in een honingraatachtig roosterpatroon), op elkaar gestapeld, waarbij het ene vel precies 1,05 graden gedraaid is ten opzichte van het andere. De resulterende dubbellaag heeft ongebruikelijke elektronische eigenschappen:bijvoorbeeld het kan worden gemaakt in een isolator of een supergeleider, afhankelijk van het aantal elektronen dat wordt toegevoegd.

De ontdekking lanceerde een nieuw onderzoeksgebied naar met een magische hoek gedraaid grafeen, bekend als 'twistronica'. Bij Caltech, Stevan Nadj Perge, universitair docent toegepaste natuurkunde en materiaalkunde, was een van de onderzoekers die de leiding had:in 2019, hij en zijn collega's brachten de elektronische eigenschappen van met een magische hoek gedraaid grafeen rechtstreeks in beeld op atomaire lengteschalen; en anno 2020, ze toonden aan dat supergeleiding in gedraaid dubbellaags grafeen buiten de magische hoek kan bestaan ​​​​wanneer gekoppeld aan een tweedimensionale halfgeleider.

Nutsvoorzieningen, Nadj-Perge en zijn collega's hebben ontdekt dat gedraaid dubbellaags grafeen met een magische hoek ook onverwachte topologische kwantumfasen heeft. Een artikel over het werk verschijnt in het nummer van 18 januari van: Natuur .

Wat zijn topologische kwantumfasen en waarom zijn ze belangrijk? traditioneel, materialen worden geclassificeerd als isolatoren, die de stroom van elektronen belemmeren en dus geen elektriciteit geleiden; metalen, die elektriciteit goed geleiden; en halfgeleiders, die elektriciteit geleiden tussen metalen en isolatoren.

Echter, wanneer sterke magnetische velden worden toegepast op de verschillende soorten materialen, het gedrag van elektronen erdoorheen wordt gewijzigd, het produceren van andere mogelijke toestanden of topologische kwantumfasen. Bijvoorbeeld, onder sterke magnetische velden, het grootste deel van een materiaal kan isolerend worden, terwijl de oppervlakken (of randen, in het geval van een tweedimensionaal materiaal) zijn sterk geleidend. theoretisch, topologische kwantumfasen kunnen veel toepassingen hebben, ook bij de verwerking van kwantuminformatie.

In het nieuwe werk Nadj-Perge en collega's gebruikten scanning tunneling microscopie om gedraaid dubbellaags grafeen direct in beeld te brengen met atomaire resolutie, en ontdekte dat de sterke interacties tussen elektronen in gedraaid dubbellaags grafeen het ontstaan ​​van deze topologische fasen mogelijk maken zonder dat een sterk magnetisch veld nodig is. Ze bestudeerden ook grafeen gedraaid naar alternatieve hoeken, maar ontdekte dat de nieuwe topologische fasen alleen aanwezig waren in de magische hoek.

"De ontdekking van topologische fasen in met een magische hoek gedraaid dubbellaags grafeen opent nog een ander hoofdstuk over dit verbazingwekkende materiaal en brengt ons dichter bij het begrijpen van de elektronische eigenschappen ervan." zegt Nadj-Perge, corresponderende auteur van het artikel. "Het belangrijkste is, echter, onze bevindingen wijzen ook op nieuwe manieren om topologische fasen te ontwerpen die in de toekomst kunnen worden nagestreefd." Deze materialen zouden, in theorie, hebben veel toepassingen; bijvoorbeeld, bepaalde excitaties van topologische fasen zouden kunnen worden gebruikt om informatieverwerking uit te voeren in toekomstige kwantumcomputers.

Hun paper is getiteld "Correlation-driven topological phases in magic-angle twisted bilayer graphene".