Science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Natuurkundigen veranderen potlood in metaforisch goud

Artistieke weergave van de elektronencorrelatie, of het vermogen van elektronen om met elkaar te praten, dat kan voorkomen in een speciaal soort grafiet (potlood). Credit:Sampson Wilcox, MIT Research Laboratory of Electronics

Natuurkundigen en collega's van MIT hebben grafiet, of potloodlood, metaforisch in goud veranderd door vijf ultradunne vlokken te isoleren die in een specifieke volgorde zijn gestapeld. Het resulterende materiaal kan vervolgens worden afgestemd om drie belangrijke eigenschappen te vertonen die nog nooit eerder in natuurlijk grafiet zijn gezien.



"Het lijkt een beetje op one-stop-shopping", zegt Long Ju, assistent-professor bij het MIT Department of Physics en leider van het werk, waarover wordt gerapporteerd in de Nature Nanotechnology . "In dit geval hebben we ons nooit gerealiseerd dat al deze interessante dingen in grafiet zijn ingebed."

Verder zegt hij:"Het is zeer zeldzaam om materialen te vinden die zoveel eigenschappen kunnen bevatten."

Grafiet is samengesteld uit grafeen, een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in zeshoeken die lijken op een honingraatstructuur. Grafeen is op zijn beurt het onderwerp geweest van intensief onderzoek sinds het ongeveer twintig jaar geleden voor het eerst werd geïsoleerd. Ongeveer vijf jaar geleden ontdekten onderzoekers, waaronder een team van het MIT, dat het stapelen van afzonderlijke vellen grafeen, en deze onder een kleine hoek ten opzichte van elkaar draaien, nieuwe eigenschappen aan het materiaal kan geven, van supergeleiding tot magnetisme. Het vakgebied van de "twistronics" was geboren.

In het huidige werk "ontdekten we interessante eigenschappen zonder enige verdraaiing", zegt Ju, die ook verbonden is aan het Materials Research Laboratory.

Hij en collega's ontdekten dat vijf lagen grafeen, gerangschikt in een bepaalde volgorde, ervoor zorgen dat de elektronen die in het materiaal rondbewegen met elkaar kunnen praten. Dat fenomeen, bekend als elektronencorrelatie, "is de magie die al deze nieuwe eigenschappen mogelijk maakt", zegt Ju.

Bulkgrafiet – en zelfs losse vellen grafeen – zijn goede elektrische geleiders, maar dat is alles. Het materiaal dat Ju en collega's isoleerden, dat zij pentalaag rhombohedraal gestapeld grafeen noemen, wordt veel meer dan de som der delen.

MIT Postdoctoraal Associate Zhengguang Lu, assistent-professor Long Ju en afgestudeerde student Tonghang Han in het laboratorium. De drie zijn samen met zeven anderen auteurs van een artikel in Nature Nanotechnology over een speciaal soort grafiet (potlood). Krediet:Ju lab, MIT

Nieuwe microscoop

De sleutel tot het isoleren van het materiaal was een nieuwe microscoop Ju, gebouwd aan het MIT in 2021, die snel en relatief goedkoop een verscheidenheid aan belangrijke kenmerken van een materiaal op nanoschaal kan bepalen. Pentalaag rhomboëdrisch gestapeld grafeen is slechts een paar miljardsten van een meter dik.

Wetenschappers, waaronder Ju, waren op zoek naar meerlaags grafeen dat in een zeer nauwkeurige volgorde was gestapeld, ook wel rhomboëdrische stapeling genoemd. Ju zegt:"Er zijn meer dan tien mogelijke stapelvolgordes als je naar vijf lagen gaat. Rhombohedral is er slechts één van." De microscoop die Ju bouwde, bekend als Scattering-type Scanning Nearfield Optical Microscopy, of s-SNOM, stelde de wetenschappers in staat alleen de pentalagen te identificeren en te isoleren in de rhomboëdrische stapelvolgorde waarin ze geïnteresseerd waren.

Drie in één

Van daaruit bevestigde het team elektroden op een kleine sandwich bestaande uit boornitride "brood" dat het delicate "vlees" van vijflaags rhombohedrisch gestapeld grafeen beschermt. Met de elektroden konden ze het systeem afstemmen op verschillende spanningen of hoeveelheden elektriciteit. Het resultaat:ze ontdekten de opkomst van drie verschillende verschijnselen, afhankelijk van het aantal elektronen dat het systeem overspoelde.

"We ontdekten dat het materiaal isolerend, magnetisch of topologisch zou kunnen zijn", zegt Ju. Dit laatste houdt enigszins verband met zowel geleiders als isolatoren. In wezen, legt Ju uit, maakt een topologisch materiaal de ongehinderde beweging van elektronen rond de randen van een materiaal mogelijk, maar niet door het midden. De elektronen reizen in één richting langs een "snelweg" aan de rand van het materiaal, gescheiden door een mediaan die het midden van het materiaal vormt. De rand van een topologisch materiaal is dus een perfecte geleider, terwijl het midden een isolator is.

"Ons werk vestigt rhombohedraal gestapeld meerlaags grafeen als een zeer afstembaar platform om deze nieuwe mogelijkheden van sterk gecorreleerde en topologische fysica te bestuderen", concluderen Ju en zijn co-auteurs.

Naast Ju zijn de auteurs van het artikel Tonghang Han en Zhengguang Lu. Han is een afgestudeerde student aan de afdeling Natuurkunde; Lu is postdoctoraal medewerker bij het Materials Research Laboratory. De twee zijn co-eerste auteurs van het artikel.

Meer informatie: Tonghang Han et al., Gecorreleerde isolator en Chern-isolatoren in vijflaags rhombohedraal gestapeld grafeen, Natuurnanotechnologie (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01520-1

Journaalinformatie: Natuurnanotechnologie

Aangeboden door Materials Research Laboratory, Massachusetts Institute of Technology




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Parasitaire wormen wachten niet om te worden opgeslokt door nieuwe gastheren
  2. Wetenschappers gebruiken bladgloed om het veranderende klimaat te begrijpen
  3. Vrouwelijke wetenschappers die de wereld veranderden
  4. Het menselijk brein is bedraad voor poëzie
  5. Zwaarlijvige honden geholpen door effectieve gewichtsverliesproeven
  6. Keeping Kermit:nieuwe aanwijzingen om kikkers te beschermen tegen dodelijke Bd-schimmel
  7. Helpers bij het nest kunnen moedervogels toestaan ​​kleinere eieren te leggen
  8. Habitat: definitie, soorten en voorbeelden
  9. Kan eten mensen gelukkig maken?

Wetenschap