De magische hoek van gedraaid grafeen

Grafeen, een tweedimensionaal materiaal dat uitsluitend uit koolstof bestaat, heeft buitengewone eigenschappen onthuld, waaronder thermische en elektrische geleidbaarheid, transparantie en flexibiliteit. Gecombineerd worden deze eigenschappen vooral interessant in het tijdperk van touchscreens en flexibele elektronica. “In tegenstelling tot 3D-materialen heeft grafeen een hoogte die is teruggebracht tot de uiteindelijke dimensie van het atoom. Het is daarom een ​​koolstofatoomvlak”, legt prof. Jean-Christophe Charlier uit, een specialist in nanoscopische fysica aan het Institute of Condensed Matter and Nanosciences of UCLouvain.

In een studie gepubliceerd in Natuurontleedden de wetenschapper en zijn team het gedrag van elektronen wanneer twee lagen grafeen die onder een hoek van 1,1 graden over elkaar heen lagen (de zogenaamde ‘magische hoek’) een moiré-effect produceren. Dit optische effect is bekend bij fotografen, schilders en modespecialisten en bestaat uit een figuur die is samengesteld uit donkere en lichte domeinen die het resultaat zijn van de superpositie van twee roosters. “Wanneer twee lagen grafeen met deze magische hoek over elkaar heen gelegd worden, ontstaat er supergeleiding. Ze geleiden dus elektriciteit zonder enige weerstand”, zegt prof. Charlier.

Deze eigenschap is meer dan handig voor het transporteren van elektriciteit zonder energieverlies. “We hebben aangetoond dat de twee op deze manier verdraaide grafeenvlakken een wisselwerking hebben en leiden tot een herstructurering van de atomen in domeinen waar elektronen vastzitten en zich in de ruimte bevinden.” Per definitie hebben elektronen echter de neiging om van elkaar af te bewegen, afgestoten door hun respectievelijke negatieve ladingen. “Om hun interacties te beperken, kunnen de elektronen zichzelf organiseren door hun spin op één lijn te brengen, waardoor ze magnetische eigenschappen krijgen, of door een isolator te vormen, of door te paren om supergeleiding te produceren.” Het is de laatste die optreedt in het geval van dubbellaaggrafeen dat onder de magische hoek is gedraaid. Bovendien hebben de wetenschappers aangetoond dat fononen, atoomdeeltjes die verantwoordelijk zijn voor trillingen in vaste materialen, ook vastzitten in de domeinen die worden gevormd door het gedraaide grafeen.

De synthese van nieuwe 2D-materialen en de observatie van de buitengewone eigenschappen die eraan kunnen worden ontleend, hebben geleid tot een twistronics-rage, gedreven door het idee om ooit structuren te kunnen creëren met de gewenste eigenschappen ‘steen voor steen’, of om kennis die is opgedaan op eenvoudige materialen, zoals grafeen, te extrapoleren naar complexere materialen, waardoor een betere controle of prestatie van supergeleidende systemen in het dagelijks leven mogelijk is. Voorbeelden hiervan zijn de supergeleidende spoelen in Japanse magnetische zweeftreinen (Maglev), die boven de rails zweven, of de supergeleidende magneet in apparatuur voor beeldvorming met magnetische resonantie (MRI).