Koolstof is niet het meest glanzende element, noch het meest reactieve, noch het zeldzaamste. Maar het is een van de meest veelzijdige.

Koolstof is de ruggengraat van het leven op aarde en de fossiele brandstoffen die het gevolg zijn van de ondergang van het oude leven. Koolstof is het essentiële ingrediënt om ijzer in staal te veranderen, dat ten grondslag ligt aan technologieën van middeleeuwse zwaarden tot wolkenkrabbers en onderzeeërs. En in auto's, vliegtuigen en windmolens worden sterke, lichtgewicht koolstofvezels gebruikt. Zelfs alleen koolstof op zichzelf is buitengewoon aanpasbaar:het is het enige ingrediënt in (onder andere) diamanten, buckyballs en grafiet (het materiaal dat wordt gebruikt om potloodlood te maken).

Deze laatste vorm, grafiet, is op het eerste gezicht de meest alledaagse, maar dunne vellen ervan herbergen een schat aan ongewone fysica. Onderzoek naar afzonderlijke atoomdikke vellen grafiet, grafeen genaamd, kwam op gang na 2004 toen wetenschappers een betrouwbare manier ontwikkelden om het te produceren (met behulp van alledaagse plakband om lagen herhaaldelijk uit elkaar te halen). In 2010 leverden vroege experimenten die de kwantumrijkdom van grafeen aantoonden twee onderzoekers de Nobelprijs voor de natuurkunde op.

De afgelopen jaren is grafeen blijven geven. Onderzoekers hebben ontdekt dat het stapelen van lagen grafeen met twee of drie tegelijk (respectievelijk dubbellaags grafeen of drielaags grafeen genoemd) en het draaien van de lagen ten opzichte van elkaar een vruchtbaar nieuw gebied opent voor wetenschappers om te verkennen. Onderzoek naar deze gestapelde vellen grafeen is als het Wilde Westen, compleet met de verleiding van opvallend goud en de onzekerheid van onbekend terrein.

Onderzoekers van JQI en het Condensed Matter Theory Center (CMTC) aan de Universiteit van Maryland, waaronder JQI-fellows Sankar Das Sarma en Jay Sau en anderen, zijn bezig met het creëren van de theoretische fysica-basis die een kaart van dit nieuwe landschap zal zijn. En er valt veel in kaart te brengen; de fenomenen in grafeen variëren van het bekende, zoals magnetisme tot meer exotische dingen zoals vreemde metalliciteit, verschillende versies van het kwantum Hall-effect en het Pomeranchuk-effect - waarbij elk elektronen coördineren om uniek gedrag te produceren. Een van de meest veelbelovende aders voor wetenschappelijke schatten is het verschijnen van supergeleiding (verliesloze elektrische stroom) in gestapeld grafeen.

"Hier is een systeem waarin bijna elke interessante kwantumfase van materie die theoretici ooit hadden kunnen bedenken, verschijnt in één enkel systeem, aangezien de draaihoek, dragerdichtheid en temperatuur in één enkel monster in één enkel experiment worden afgestemd", zegt Das Sarma, die tevens directeur is van het CMTC. "Klinkt als magie of wetenschappelijke fantasie, maar het gebeurt elke dag in minstens tien laboratoria in de wereld."

De rijkdom en diversiteit van het elektrische gedrag in grafeenstapels heeft geleid tot een stormloop van onderzoek. De American Physical Society March Meeting in 2021 omvatte 13 sessies over grafeen of gedraaide dubbellagen, en Das Sarma organiseerde in juni een virtuele conferentie van een dag voor onderzoekers om gedraaid grafeen en het gerelateerde onderzoek geïnspireerd door het onderwerp te bespreken. Het onderwerp van gestapeld grafeen is uitgebreid vertegenwoordigd in wetenschappelijke tijdschriften, en de online arXiv preprint-server heeft meer dan 2.000 artikelen gepost over "dubbellaags grafeen" - bijna 1.000 sinds 2018.

Het is misschien verrassend dat de rijkdom aan mogelijkheden voor kwantumonderzoek van grafeen te maken heeft met zijn fysieke eenvoud.

Grafeen is een zich herhalende honingraatplaat met op elke hoek een koolstofatoom. De koolstofatomen houden sterk aan elkaar vast, waardoor onvolkomenheden in het patroon ongewoon zijn. Elk koolstofatoom draagt ​​​​een elektron bij dat vrij tussen atomen kan bewegen, en elektrische stromen zijn erg goed in het reizen door de resulterende vellen. Bovendien is grafeen licht van gewicht, heeft het een treksterkte die meer dan 300 keer groter is dan die van staal en is het buitengewoon goed in het absorberen van licht. Deze functies maken het gemakkelijk om mee te werken en het is ook gemakkelijk te verkrijgen.

De pure, consistente structuur van grafeen is een uitstekende belichaming van het natuurkundige ideaal van een tweedimensionaal vast materiaal. Dit maakt het de perfecte speeltuin om te begrijpen hoe de kwantumfysica zich afspeelt in het materiaal zonder dat de onderzoekers zich zorgen hoeven te maken over complicaties van de extra rotzooi die in de meeste materialen voorkomt. Er zijn dan verschillende nieuwe eigenschappen die worden ontgrendeld door lagen grafeen op elkaar te stapelen. Elke laag kan worden gedraaid (door wat wetenschappers een "draaihoek" noemen) of verschoven ten opzichte van het hexagonale patroon van zijn buren.

De structurele en elektrische eigenschappen van grafeen maken het gemakkelijk om het kwantumlandschap dat elektronen in een experiment ervaren te veranderen, waardoor onderzoekers verschillende opties hebben om de elektrische eigenschappen van grafeen aan te passen of af te stemmen. Het combineren van deze basisbouwstenen heeft al geleid tot een schat aan verschillende resultaten, en ze zijn nog niet klaar met experimenteren.

Een 'magische' bloei

In de kwantumwereld van elektronen in grafeen is de manier waarop lagen op elkaar zitten belangrijk. Wanneer aangrenzende vellen in een dubbellaag ten opzichte van elkaar worden gedraaid, eindigen sommige atomen in de bovenste laag bijna recht boven hun overeenkomstige buur, terwijl op andere plaatsen atomen ver weg (op atomaire schaal) van een atoom in de andere laag eindigen . Deze verschillen vormen gigantische, herhalende patronen die lijken op de verdeling van atomen in het enkele vel, maar over een veel langere schaal, zoals weergegeven in de afbeelding bovenaan het verhaal en in de interactieve visuele balg.

Elke verandering van de hoek verandert ook de schaal van het grotere patroon dat het kwantumlandschap vormt waardoor de elektronen reizen. De kwantumomgevingen gevormd door verschillende herhalende patronen (of het ontbreken van enige organisatie) zijn een van de belangrijkste redenen waarom elektronen zich in verschillende materialen anders gedragen; in het bijzonder dicteert de kwantumomgeving van een materiaal de interacties die elektronen ervaren. Dus elke minuscule draai van een grafeenlaag opent een hele nieuwe wereld van elektrische mogelijkheden.

"Deze draai is echt een nieuwe afstemknop die afwezig was vóór de ontdekking van deze 2D-materialen", zegt Fengcheng Wu, die heeft gewerkt aan grafeenonderzoek met Das Sarma als JQI- en CMTC-postdoc en nu met hem samenwerkt als professor in Wuhan Universiteit in China. "In de natuurkunde hebben we niet al te veel afstemknoppen. We hebben temperatuur, druk, magnetisch veld en elektrisch veld. Nu hebben we een nieuwe afstemknop, wat een groot ding is. En deze draaihoek biedt ook nieuwe mogelijkheden om te studeren natuurkunde."

Onderzoekers hebben ontdekt dat bij een speciale, kleine draaihoek (ongeveer 1,1 graden) - grillig de "magische hoek" genoemd - de omgeving precies goed is om sterke interacties te creëren die de eigenschappen ervan radicaal veranderen. Wanneer die precieze hoek wordt bereikt, hebben de elektronen de neiging om zich rond bepaalde delen van het grafeen te clusteren, en nieuw elektrisch gedrag verschijnt plotseling alsof het wordt opgeroepen met een dramatische goochelaar. Magische hoek grafeen gedraagt ​​zich in sommige omstandigheden als een slecht geleidende isolator en in andere gevallen gaat het in het andere uiterste van een supergeleider - een materiaal dat elektriciteit transporteert zonder enig verlies van energie.

De ontdekking van grafeen met een magische hoek en dat het bepaalde kwantumgedragingen heeft die vergelijkbaar zijn met een supergeleider bij hoge temperaturen, was de Physics World 2018 Breakthrough of the Year. Supergeleiders hebben veel waardevolle potentiële toepassingen, zoals een revolutie in de energie-infrastructuur en het maken van efficiënte magneetzweeftreinen. Het vinden van een handige supergeleider op kamertemperatuur was een heilige graal voor wetenschappers.

De ontdekking van een veelbelovende nieuwe vorm van supergeleiding en een overvloed aan andere elektrische eigenaardigheden, allemaal met een handige nieuwe knop om mee te spelen, zijn belangrijke ontwikkelingen, maar het meest opwindende voor natuurkundigen zijn alle nieuwe vragen die de ontdekkingen hebben opgeroepen. Das Sarma heeft veel aspecten van gelaagd grafeen onderzocht, wat heeft geleid tot meer dan 15 artikelen over het onderwerp sinds 2019; hij zegt dat twee van de vragen die hem het meest interesseren, zijn hoe grafeen supergeleidend wordt en hoe het magnetisch wordt.

"Verschillende grafeen-multilagen blijken een rijkere speelplaats voor de natuurkunde te zijn dan enig ander bekend gecondenseerd materiaal of atomair collectief systeem - het optreden van supergeleiding, magnetisme, gecorreleerde isolator, vreemd metaal hier is gekoppeld aan een onderliggende niet-triviale topologie, waardoor een wisselwerking tussen interactie, bandstructuur en topologie die uniek en ongekend is", zegt Das Sarma. "Het onderwerp moet lang in de voorhoede van onderzoek blijven."

Vreemde bedgenoten

Wetenschappers weten al heel lang over supergeleiding en magnetisme, maar grafeen is niet waar ze ze verwachtten te vinden. Het was een verrassing om beide afzonderlijk te vinden, maar wetenschappers hebben ook ontdekt dat de twee verschijnselen gelijktijdig optreden in sommige experimenten.

Supergeleiding en magnetisme zijn meestal antagonisten, dus hun aanwezigheid samen in een grafeenstapel suggereert dat er iets ongewoons aan de hand is. Onderzoekers, zoals Das Sarma, hopen dat het blootleggen van welke interacties tot deze fenomenen in grafeen leiden, hen een dieper begrip zal geven van de onderliggende fysica en hen misschien in staat zal stellen meer materialen met exotische en nuttige eigenschappen te ontdekken.

Een hint naar de schat die mogelijk wacht om ontdekt te worden, zijn metingen van de elektrische eigenschappen van gedraaid dubbellaags grafeen, die lijken op gedrag dat wordt waargenomen in bepaalde supergeleiders bij hoge temperatuur. Dit suggereert dat grafeen cruciaal kan zijn voor het oplossen van de mysteries rond supergeleiding bij hoge temperaturen.

De huidige aanwijzingen wijzen erop dat de eigenaardigheden van elektroneninteracties de sleutel zijn tot het begrijpen van het onderwerp. Supergeleiding vereist dat elektronen paren, dus de interacties die de paring in grafeenstapels aansturen zijn natuurlijk van belang.

In een artikel gepubliceerd in Physical Review B , Das Sarma, Wu en Euyheon Hwang, die vroeger een JQI-onderzoekswetenschapper was en nu professor is aan de Sungkyunkwan University in Zuid-Korea, stelden voor dat wat elektronenparen in gedraaid dubbellaags grafeen bindt, verrassend alledaags kan zijn. Ze denken dat het koppelingsmechanisme hetzelfde kan zijn als dat van de best begrepen supergeleiders. Maar ze denken ook dat de conventionele oorsprong kan leiden tot onconventionele paren.

Hun analyse suggereert dat het niet alleen de interacties zijn die elektronen met elkaar hebben die worden versterkt onder de magische hoek, maar ook de interacties van het elektron met trillingen van de koolstofatomen. De trillingen, fononen genaamd, zijn de kwantummechanische versie van geluid en andere trillingen in materialen.

In de best begrepen supergeleiders zijn het fononen die elektronen in paren binden. In deze supergeleiders moeten de gekoppelde elektronen tegengestelde waarden van hun spin hebben - een kwantumeigenschap die verband houdt met hoe kwantumdeeltjes zich oriënteren in een magnetisch veld. Maar de theorie van het team suggereert dat in grafeen dit traditionele koppelingsmechanisme niet alleen elektronen kan koppelen aan tegengestelde spins, maar ook elektronen met dezelfde spin. Hun beschrijving van de koppelingsmethode biedt een mogelijke verklaring om supergeleiding in gedraaid dubbellaags grafeen en op grafeen gebaseerde materialen meer in het algemeen te helpen begrijpen.

"Onconventionele supergeleiding is zeer gewild in de natuurkunde, omdat het op zichzelf al exotisch is en ook toepassingen kan vinden in topologische kwantumcomputers", zegt Wu. "Onze theorie biedt een conventioneel mechanisme voor onconventionele supergeleiding."

Meer recentelijk hebben Das Sarma, Sau, Wu en Yang-Zhi Chou, een JQI en CMTC postdoctoraal onderzoeker, samengewerkt om een ​​tool te ontwikkelen om wetenschappers te helpen een verscheidenheid aan grafeenstapels te begrijpen. Een paper over dit onderzoek werd onlangs aanvaard in Physical Review Letters. Ze maakten een theoretisch kader om te onderzoeken hoe elektronen zich gedragen op een hexagonaal raster. Ze werden geïnspireerd door experimenten met in een magische hoek gedraaid drielaags grafeen. Gedraaid drielaags grafeen heeft de middelste laag gedraaid ten opzichte van de boven- en onderlaag, als een kaassandwich met het plakje gedraaid zodat de hoeken uitsteken. Deze grafeensandwich heeft de aandacht getrokken omdat hij supergeleiding herbergt bij een hogere temperatuur dan de versie met twee stapels.

Het theoretische model van het team geeft een beschrijving van het gedrag van de elektronen in een bepaalde kwantumwereld. Door het te gebruiken in het geval van gedraaid drielaags grafeen, toonden ze aan dat de ongewone paring van elektronen met dezelfde spin het elektronengedrag zou kunnen domineren en de bron zou kunnen zijn van de supergeleiding van gedraaid drielaags grafeen.

Deze nieuwe tool biedt een startpunt voor het onderzoeken van andere grafeenexperimenten. En de manier waarop het geïdentificeerde koppelingsmechanisme de elektronen beïnvloedt, kan belangrijk zijn in toekomstige discussies over de rol van magnetisme in grafeenexperimenten.

Magnetisme in gestapeld grafeen is zijn eigen mysterieuze goocheltruc. Magnetisme wordt niet gevonden in grafiet of enkele lagen grafeen, maar verschijnt op de een of andere manier wanneer de stapels op één lijn liggen. Het is vooral opmerkelijk omdat supergeleiding en magnetisme normaal gesproken niet naast elkaar kunnen bestaan ​​in een materiaal zoals ze lijken in grafeenstapels.

"Deze onconventionele supergeleidende toestand in gedraaid drielaags grafeen kan een groot magnetisch veld weerstaan, een eigenschap die zelden wordt gezien in andere bekende supergeleidende materialen", zegt Chou.

In een ander artikel in Physical Review B Das Sarma en Wu pakten het raadsel aan van de gelijktijdige aanwezigheid van zowel supergeleiding als magnetisme in gedraaid dubbel dubbellaags grafeen - een systeem zoals dubbellaags grafeen, maar waar de twist zich tussen twee paar uitgelijnde grafeenvellen bevindt (voor een totaal van vier vellen). Deze constructie met extra lagen heeft de aandacht getrokken omdat het een kwantumomgeving creëert die gevoeliger is dan een basisdubbellaag voor een elektrisch veld dat door de stapel wordt aangelegd, waardoor onderzoekers een groter vermogen hebben om de supergeleiding en het magnetisme aan te passen en ze in verschillende kwantumsituaties te observeren.

In de paper geeft het team een ​​verklaring voor de bron van magnetisme en hoe een aangelegd elektrisch veld de waargenomen verandering in het magnetische gedrag van een stapel kan veroorzaken. Ze geloven dat het magnetisme op een heel andere manier ontstaat dan bij meer gebruikelijke magneten, zoals koelkastmagneten op ijzerbasis. In een ijzermagneet hebben de afzonderlijke ijzeratomen elk hun eigen kleine magnetische veld. Maar het team gelooft dat in grafeen de koolstofatomen niet magnetisch worden. In plaats daarvan denken ze dat het magnetisme afkomstig is van elektronen die vrij door het vel bewegen.

Hun theorie suggereert dat dubbellaags grafeen magnetisch wordt vanwege de manier waarop de elektronen elkaar beter uit elkaar duwen in de specifieke kwantumomgeving. Deze extra druk kan ertoe leiden dat de elektronen hun individuele magnetische velden coördineren om een ​​groter veld te maken.

De coördinatie van elektronenspins kan ook relevant zijn voor het paren van elektronen en de vorming van potentiële supergeleiding. Spin kan worden voorgesteld als een pijl die in lijn wil zijn met elk omringend magnetisch veld. Supergeleiding faalt normaal gesproken wanneer het magnetisme sterk genoeg is om de twee tegenover elkaar liggende spins uit elkaar te scheuren. Maar beide spins die in de paren zijn uitgelijnd, zouden de twee fenomenen verklaren die vreedzaam naast elkaar bestaan ​​​​in grafeen-experimenten.

Om de volgende bocht in de rivier

Hoewel deze theorieën dienen als een gids voor onderzoekers die het onbekende terrein van grafeenonderzoek betreden, zijn ze verre van een definitieve kaart. Op de conferentie die Das Sarma in juni organiseerde, presenteerde een onderzoeker nieuwe waarnemingen van supergeleiding in drie gestapelde grafeenvellen zonder enige draaiing. Deze stapels zijn verschoven zodat geen van de lagen recht op elkaar ligt; elke zeshoek heeft enkele van zijn koolstofatomen in het midden van de zeshoeken van de andere lagen. Het experiment onthulde twee verschillende gebieden van supergeleiding, waarvan er één wordt verstoord door magnetisme en de andere niet. Dit suggereert dat de twist misschien niet het magische ingrediënt is dat alle exotische verschijnselen produceert, maar het roept ook nieuwe vragen op, biedt een route om te identificeren welk elektronisch gedrag wordt gecreëerd of verbeterd door de "magische" twist, en biedt een nieuwe kans om de fundamentele bronnen van de onderliggende fysica te onderzoeken.

Geïnspireerd door dit werk en eerdere observaties van magnetisme in dezelfde samenwerking van Das Sarma, onderzochten Sau, Wu en Chou wiskundig de manier waarop fononkoppeling van elektronen zou kunnen spelen in deze twist-less stapels. De analyse van het team suggereert dat fonon-paren de waarschijnlijke oorzaak is van beide soorten supergeleiding, waarbij één optreedt met bijpassende spins en één met tegenovergestelde spins. Dit werk, geleid door Chou, werd onlangs aanvaard in Physical Review Letters en is gekozen als suggestie van een PRL-redacteur.

Deze resultaten vertegenwoordigen slechts een fractie van het werk aan grafeenexperimenten bij JQI en het CMTC, en veel andere onderzoekers hebben aanvullende aspecten van dit rijke onderwerp aangepakt. Maar er valt nog veel te ontdekken en te begrijpen voordat het onderwerp gelaagd grafeen in kaart wordt gebracht en getemd territorium wordt. Deze vroege ontdekkingen wijzen erop dat naarmate onderzoekers dieper graven, ze nieuwe onderzoeksaders kunnen ontdekken die een schat aan mogelijkheden bieden om nieuwe fysica te begrijpen en misschien zelfs nieuwe technologieën te ontwikkelen.

"Toepassingen zijn moeilijk te voorspellen, maar de extreme afstembaarheid van deze systemen met zoveel verschillende fasen en fenomenen maakt het waarschijnlijk dat er toepassingen kunnen zijn", zegt Das Sarma. "In dit stadium is het heel spannend fundamenteel onderzoek." + Verder verkennen

Onderzoekers observeren translatiesymmetrie die breekt in gedraaid dubbellaags grafeen