Onderzoekers van het National Graphene Institute (NGI) van de Universiteit van Manchester hebben een van de oudste materialen op aarde – grafiet – opnieuw onderzocht en nieuwe natuurkunde ontdekt die het veld al tientallen jaren ontgaat.

Ondanks dat het volledig bestaat uit lagen koolstofatomen die in een honingraatpatroon zijn gerangschikt, is natuurlijk grafiet niet zo eenvoudig als je zou denken. De manier waarop deze atomaire lagen op elkaar worden gestapeld, kan resulteren in verschillende soorten grafiet, gekenmerkt door een verschillende stapelvolgorde van opeenvolgende atomaire vlakken.

Het merendeel van het natuurlijk voorkomende grafiet heeft een hexagonale stapeling, waardoor het een van de meest ‘gewone’ materialen op aarde is. De structuur van grafietkristal is een repetitief patroon. Dit patroon wordt verstoord aan de oppervlakte van het kristal en leidt tot zogenaamde ‘oppervlaktetoestanden’, die lijken op golven die langzaam vervagen naarmate je dieper het kristal in gaat. Maar hoe oppervlaktetoestanden in grafiet kunnen worden afgestemd, was nog niet goed begrepen.

Van der Waals-technologie en twistronics (het stapelen van twee 2D-kristallen onder een draaihoek om de eigenschappen van de resulterende structuur grotendeels af te stemmen, vanwege het moiré-patroon dat op hun grensvlak wordt gevormd) zijn de twee leidende velden in het onderzoek naar 2D-materialen. Nu gebruikt het team van NGI-onderzoekers, onder leiding van prof. Artem Mishchenko, een moirépatroon om de oppervlaktetoestanden van grafiet af te stemmen, wat doet denken aan een caleidoscoop met steeds veranderende beelden als men de lens draait, waardoor de buitengewone nieuwe fysica achter grafiet wordt onthuld.

In het bijzonder breidde prof. Mishchenko de twistronics-techniek uit naar driedimensionaal grafiet en ontdekte dat het moiré-potentieel niet alleen de oppervlaktetoestanden van grafiet wijzigt, maar ook het elektronische spectrum van het gehele grootste deel van grafietkristal beïnvloedt. Net als in het bekende verhaal van De prinses op de erwt voelde de prinses de erwt dwars door de twintig matrassen en de twintig dekbedden heen. In het geval van grafiet zou het moirépotentieel op een uitgelijnd grensvlak door meer dan 40 atomaire grafietlagen kunnen dringen.

Dit onderzoek, gepubliceerd in het nieuwste nummer van Nature , bestudeerde de effecten van moirépatronen in bulk hexagonaal grafiet gegenereerd door kristallografische uitlijning met hexagonaal boornitride. Het meest fascinerende resultaat is de observatie van een 2,5-dimensionale vermenging van de oppervlakte- en bulktoestanden in grafiet, wat zich manifesteert in een nieuw type fractaal kwantum Hall-effect:een 2,5D Hofstadter-vlinder.

Prof. Artem Mishchenko van de Universiteit van Manchester, die het 2,5-dimensionale quantum Hall-effect in grafiet al heeft ontdekt, zei:"Grafiet heeft geleid tot het beroemde grafeen, maar mensen zijn normaal gesproken niet geïnteresseerd in dit 'oude' materiaal. En nu, zelfs met onze opgebouwde kennis over grafiet van verschillende stapel- en uitlijningsvolgordes in de afgelopen jaren, vonden we grafiet nog steeds een zeer aantrekkelijk systeem - er moet nog zoveel worden onderzocht."

Ciaran Mullan, een van de toonaangevende auteurs van het artikel, voegde hieraan toe:"Ons werk opent nieuwe mogelijkheden voor het controleren van elektronische eigenschappen door twistronics, niet alleen in 2D maar ook in 3D-materialen."

Prof. Vladimir Fal'ko, directeur van het National Graphene Institute en theoretisch natuurkundige bij het Departement Natuurkunde en Sterrenkunde, voegde hieraan toe:“Het ongebruikelijke 2,5D quantum Hall-effect in grafiet ontstaat als de wisselwerking tussen twee kwantumfysica-fenomenen uit het leerboek:Landau-kwantisering in sterke magnetische velden en kwantumopsluiting, wat leidt tot nog een nieuw soort kwantumeffect."

Hetzelfde team gaat nu door met het grafietonderzoek om een ​​beter begrip te krijgen van dit verrassend interessante materiaal.

Meer informatie: Ciaran Mullan et al, Mengen van moiré-oppervlakte- en bulktoestanden in grafiet, Natuur (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06264-5

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door Universiteit van Manchester