Een eenvoudigere benadering voor het maken van kwantummaterialen

Sinds grafeen voor het eerst werd geïsoleerd en gekarakteriseerd in de vroege jaren 2000, hebben onderzoekers manieren onderzocht om dit atomair dunne nanomateriaal te gebruiken vanwege zijn unieke eigenschappen zoals hoge treksterkte en geleidbaarheid.

In recentere jaren is aangetoond dat gedraaid dubbellaags grafeen, gemaakt van twee vellen grafeen die in een specifieke “magische” hoek zijn gedraaid, supergeleiding heeft, wat betekent dat het elektriciteit kan geleiden met zeer weinig weerstand. Het gebruik van deze benadering om apparaten te maken blijft echter een uitdaging vanwege de lage opbrengst van het fabriceren van gedraaid dubbellaags grafeen.

Nu laat een nieuwe studie zien hoe periodieke vervormingen van een enkele laag grafeen het transformeren in een materiaal met elektronische eigenschappen die eerder werden gezien in gedraaide grafeendubbellagen. Dit systeem herbergt ook extra onverwachte en interessante geleidende toestanden aan de grens. Door een beter begrip van hoe unieke eigenschappen optreden wanneer losse vellen grafeen worden onderworpen aan periodieke spanning, heeft dit werk het potentieel om in de toekomst kwantumapparaten zoals orbitale magneten en supergeleiders te creëren. De studie, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrievenwerd uitgevoerd door afgestudeerde student Võ Tiến Phong en professor Eugene Mele in Penn’s Department of Physics & Astronomy in de School of Arts & Sciences.

Een alternatief voor de complexe gedraaide dubbellaagse methode is het gebruik van enkele lagen grafeen die op een zorgvuldig gevormd substraat worden geplaatst, bekend als een “spijkerbed”, dat periodiek een externe kracht of spanning uitoefent. Om de kwantumgeometrische eigenschappen van dit systeem beter te begrijpen, wilden Mele en Phong de theorie begrijpen die ten grondslag ligt aan hoe elektronen bewegen in dit enkellaagse systeem.

Na het uitvoeren van computersimulaties van enkellaagse experimenten, waren de onderzoekers verrast om nieuw bewijs te vinden van onverwachte verschijnselen langs het oppervlak van het materiaal, maar slechts langs één kant. “Over het algemeen associeert topologie in de bulk met oppervlakte-eigenschappen, en wanneer dat het geval is, erven alle oppervlakken de eigenschap”, zegt Mele. “Hier vond ik het feit dat er aan de ene kant edge-modi waren en niet aan de andere kant, mij als zeer ongebruikelijk.”

Deze bevinding was onverwacht omdat in dit systeem het gemiddelde pseudo-magnetische veld, geïnduceerd wanneer het systeem onder spanning staat, nul was – positief in het ene gebied maar negatief in het andere, wat volgens de onderzoekers alle unieke verschijnselen zou tenietdoen. “Als het magnetische veld nul is, krijg je waarschijnlijk geen interessante natuurkunde”, zegt Phong. “Integendeel, we ontdekten dat hoewel het gemiddelde magnetische veld nul is, het je nog steeds een aantal interessante fysica aan de rand geeft.”

Om dit onverwachte resultaat te verklaren, nam Phong een soortgelijk experimenteel systeem onder de loep waarbij enkele vellen grafeen worden gebogen om een ​​constant in plaats van periodiek door spanning geïnduceerd veld te simuleren. Phong ontdekte dat dit systeem dezelfde topologische index had, wat betekent dat er ook randtoestanden zouden voorkomen die alleen aan een specifieke kant van het materiaal gedijen. “De fysica hier was vergelijkbaar en leek de juiste verklaring te zijn voor de fenomenologie waaraan we werkten”, zegt Phong.

Over het algemeen voorspelt deze studie dat platte banden, vergelijkbaar met die in gedraaid dubbellaags grafeen, worden gecreëerd door een atomair dunne enkele laag op een spijkerbedsubstraat af te zetten dat een periodieke vervorming op het grafeenblad veroorzaakt.

De onderzoekers gaan al op weg naar een nog dieper begrip van deze enkellaagse systemen. Een mogelijkheid voor verder onderzoek is een samenwerking met assistent-professor Bo Zhen om hetzelfde fenomeen te bestuderen met behulp van lichtgolven. De onderzoekers zijn ook geïnteresseerd om te zien of andere unieke eigenschappen die bestaan ​​in gedraaid dubbellaags grafeen ook kunnen voorkomen in enkellaagse systemen.

“Hoewel de fysica eenvoudig is, wat betekent dat je het systeem op een meer gecontroleerde manier kunt laten werken zoals je wilt, is de fenomenologie die je eruit kunt halen dat niet. Het is erg rijk en we ontdekken nog steeds nieuwe dingen as we speak’, zegt Phong.

En omdat deze enkellaagse systemen eenvoudiger zijn om mee te werken, heeft dit verbeterde theoretische begrip de potentie om toekomstige ontdekkingen op het gebied van randtoestandfysica te ondersteunen, inclusief mogelijke nieuwe apparaten zoals ultrakleine, ongelooflijk snelle kwantummaterialen.

“Er wordt op dit moment enorm veel moeite gedaan om deze verwrongen grafeendubbellagen te begrijpen, en ik denk dat een interessante vraag die we hier stellen de essentiële ingrediënten zijn van een fysiek systeem dat dat echt zou kunnen doen”, zegt Mele. “We bouwen kunstmatige constructies die je niet van boven naar beneden zou kunnen bouwen op een interessante lengteschaal – groter dan atomen, kleiner dan je kunt doen met lithografie – en als je daar controle over hebt, zijn er een heleboel dingen die je kan doen.”