Denk jij alles te weten over een materiaal? Probeer er een draai aan te geven, letterlijk. Dat is het hoofdidee van een opkomend veld in de fysica van de gecondenseerde materie genaamd ‘twistronics’, waarbij onderzoekers de eigenschappen van 2D-materialen, zoals grafeen, drastisch veranderen met subtiele veranderingen – zo klein als van 1,1° naar 1,2° – in de hoek tussen gestapelde lagen.

Er is bijvoorbeeld aangetoond dat gedraaide lagen grafeen zich gedragen op een manier die afzonderlijke platen niet hebben, inclusief het werken als magneten, als elektrische supergeleiders of als de tegenovergestelde isolatoren van een supergeleider, allemaal als gevolg van kleine veranderingen in de draaihoek tussen platen.

In theorie zou je elke eigenschap kunnen instellen door aan een knop te draaien die de draaihoek verandert. De realiteit is echter niet zo eenvoudig, zegt natuurkundige Cory Dean uit Columbia. Twee gedraaide lagen grafeen kunnen als een nieuw materiaal lijken, maar waarom deze verschillende eigenschappen zich precies manifesteren is nog niet goed begrepen, laat staan ​​iets dat nog volledig onder controle kan worden gehouden.

Dean en zijn laboratorium hebben een eenvoudige nieuwe fabricagetechniek bedacht die natuurkundigen kan helpen de fundamentele eigenschappen van gedraaide lagen grafeen en andere 2D-materialen op een meer systematische en reproduceerbare manier te onderzoeken. Schrijven in Wetenschap gebruiken ze lange "linten" van grafeen, in plaats van vierkante vlokken, om apparaten te creëren die een nieuw niveau van voorspelbaarheid en controle bieden over zowel de draaihoek als de rek.

Grafeenapparaten zijn doorgaans samengesteld uit atomaire dunne vlokken grafeen van slechts enkele vierkante millimeters. De resulterende draaihoek tussen de platen wordt op zijn plaats gehouden, en het kan lastig zijn om de vlokken soepel aan elkaar te plakken.

"Stel je grafeen voor als stukjes saranfolie:als je twee stukken samenvoegt, krijg je willekeurige kleine kreukels en belletjes", zegt postdoc Bjarke Jessen, co-auteur van het papier. Die belletjes en rimpels zijn vergelijkbaar met veranderingen in de draaihoek tussen de vellen en de fysieke spanning die zich daartussen ontwikkelt en ervoor kan zorgen dat het materiaal willekeurig knikt, buigt en knelt. Al deze variaties kunnen nieuw gedrag opleveren, maar ze zijn moeilijk te controleren binnen en tussen apparaten.

Linten kunnen helpen om dingen glad te strijken. Uit het nieuwe onderzoek van het laboratorium blijkt dat ze met slechts een klein duwtje vanaf de punt van een atoomkrachtmicroscoop een grafeenlint in een stabiele boog kunnen buigen die vervolgens plat op een tweede, niet-gekromde grafeenlaag kan worden geplaatst. P>

Het resultaat is een continue variatie in de draaihoek tussen de twee vellen die zich uitstrekt van 0° tot 5° over de hele lengte van het apparaat, met een gelijkmatig verdeelde spanning over het gehele oppervlak – geen willekeurige luchtbellen of kreukels meer waar u mee te maken krijgt. "We hoeven niet langer tien afzonderlijke apparaten met tien verschillende hoeken te maken om te zien wat er gebeurt", zegt postdoc en co-auteur Maëlle Kapfer. "En we kunnen nu controleren op spanning, die bij eerdere gedraaide apparaten volledig ontbrak."

Het team gebruikte speciale microscopen met hoge resolutie om te bevestigen hoe uniform hun apparaten waren. Met die ruimtelijke informatie ontwikkelden ze een mechanisch model dat draaihoeken en rekwaarden voorspelt, simpelweg op basis van de vorm van het gebogen lint.

Dit eerste artikel was gericht op het karakteriseren van het gedrag en de eigenschappen van linten grafeen en andere materialen die kunnen worden verdund tot enkele lagen en op elkaar kunnen worden gestapeld. "Het heeft gewerkt met elk 2D-materiaal dat we tot nu toe hebben geprobeerd", aldus Dean.

Vanaf hier is het laboratorium van plan hun nieuwe techniek te gebruiken om te onderzoeken hoe de fundamentele eigenschappen van kwantummaterialen veranderen als functie van de draaihoek en spanning. Eerder onderzoek heeft bijvoorbeeld aangetoond dat twee gedraaide lagen grafeen als een supergeleider werken als de draaihoek 1,1 is.

Er zijn echter concurrerende modellen om de oorsprong van supergeleiding onder deze zogenaamde 'magische hoek' te verklaren, evenals voorspellingen van extra magische hoeken die tot nu toe te moeilijk te stabiliseren waren, zei Dean. Met apparaten gemaakt van linten, die alle hoeken tussen 0° en 5° bevatten, kan het team de oorsprong van dit fenomeen, en andere, nauwkeuriger onderzoeken.

"Wat we doen is als kwantumalchemie:een materiaal nemen en er iets anders van maken. We hebben nu een platform om systematisch te onderzoeken hoe dat gebeurt", aldus Jessen.

Meer informatie: Maëlle Kapfer et al, Draaihoek- en rekprofielen programmeren in 2D-materialen, Wetenschap (2023). DOI:10.1126/science.ade9995

Journaalinformatie: Wetenschap

Aangeboden door Columbia University