Exotische fysica ontsluiten: onderzoek naar de topologische banden van grafeen in super-moiré-structuren

In een nieuwe studie hebben wetenschappers uit Singapore en Spanje een nieuwe weg gepresenteerd voor het onderzoeken van exotische fysica in grafeen. Ze richten zich op elektronische interacties in grafeen wanneer het is ingeklemd in een drielaagse structuur die een platform biedt om unieke elektronische bandconfiguraties te exploiteren.

Grafeen is een 2D-vel van koolstofatomen gerangschikt in een hexagonaal rooster (opstelling) dat eigenschappen vertoont zoals hoge elektrische geleidbaarheid, mechanische sterkte en flexibiliteit. Dit heeft de belangstelling van wetenschappers gewekt als veelbelovende kandidaat voor elektronische toepassingen.

Er is echter zeer weinig bestudeerd over de elektronische eigenschappen van monolaaggrafeen.

Bij deze nieuw Fysieke beoordelingsbrieven studieconcentreerden de onderzoekers zich op het bestuderen van deze eigenschappen door grafeen tussen twee bulklagen van boornitride te plaatsen.

Het werk maakte deel uit van de eerste auteur, Mohammed M. Al Ezzi’s Ph.D. aan de National University of Singapore (NUS), die nu als postdoc werkt onder prof. Shaffique Adam bij NUS.

Moiré-potentialen, patronen en roosters

In de materiaalkunde worden verschillende materiaallagen op elkaar gestapeld om een ​​nieuwe structuur te creëren die bekend staat als een moiréstructuur. Deze lagen zijn niet goed uitgelijnd, wat leidt tot de vorming van een moirépatroon.

Deze lagen werken met elkaar samen via verschillende krachten, in dit geval via van der Waal-krachten. Dit leidt tot variaties in de potentiële energie die het elektron in het materiaal ervaart (grafeen of boornitride), ook wel het moiré-potentieel genoemd.

Het moiré-potentieel komt dus voort uit de interferentie tussen de atomaire rangschikkingen van de twee materialen, wat resulteert in een periodieke modulatie van de potentiële energie binnen de grafeenlaag.

Dit moirépotentieel speelt een cruciale rol bij het beïnvloeden van de elektronische eigenschappen van het materiaal en kan leiden tot het ontstaan ​​van unieke verschijnselen zoals platte banden en topologische toestanden.

Drie lagen en topologische banden

De onderzoekers stellen een structuur met drie lagen voor, met de grafeenlaag in het midden om topologische banden te induceren. De resulterende structuur staat bekend als een super-moiré-structuur.

Het wordt een super-moiré-structuur genoemd omdat er twee verschillende moiré-structuren zijn, van de bovenste en onderste boornitridesubstraten. Dit geeft aanleiding tot een soort exotische natuurkunde, dat wil zeggen onconventionele natuurkunde.

Prof. Adam legde uit: “Door grafeen tussen de boornitridesubstraten te situeren en de uitlijning aan te passen aan specifieke draaihoeken, kunnen we topologische platte banden in het energiespectrum van grafeen induceren. Deze platte banden herbergen op hun beurt waarschijnlijk robuuste, sterk gecorreleerde elektronentoestanden.”

Topologische banden zijn een unieke elektronische toestand in een materiaal dat speciale eigenschappen heeft vanwege de ongebruikelijke structuur. Ze vertegenwoordigen een afwijking van conventionele elektronische toestanden zoals geleiders of isolatoren.

Voor hun werk specificeerden de onderzoekers draaihoeken van 0 graden voor de onderste boornitridelaag en ongeveer 0,6 graden voor de bovenste boornitridelaag. Deze hoeken vertegenwoordigen de hoeveelheid rotatie die op de lagen wordt toegepast ten opzichte van hun oorspronkelijke oriëntaties.

Het model van de onderzoekers voor de drielaagse structuur toonde het bestaan ​​van een topologische platte band aan als gevolg van het moiré-potentieel.

Deze platte banden vertegenwoordigen vlakke energieniveaus, wat betekent dat de energie van de elektronen binnen deze banden niet veel verandert als hun momentum varieert (denk aan het lopen over een plateau).

Gecorreleerde natuurkunde en generalisatie

De vraag die nu rijst is: wat is de betekenis van deze topologische platte banden?

Het bestaan ​​van deze platte banden is een unieke eigenschap en kan worden gebruikt om verschillende elektronische eigenschappen en dus unieke elektronische toepassingen te benutten.

Topologische isolatoren gedragen zich bijvoorbeeld als isolatoren in hun bulk, maar geleiden elektriciteit langs hun oppervlak of randen.

De onderzoekers denken dat deze topologische platte banden voor monolaaggrafeen aanleiding zouden kunnen geven tot gecorreleerde fysica, waarin de elektronen zich als een collectieve eenheid gedragen (via Coulombische interacties), wat aanleiding zou geven tot nieuwe elektronische toestanden, zoals supergeleiding, magnetisme en isolerende fasen.

Prof. Adam legde uit: “Verschillende moiré-systemen gemaakt van meerdere monolaagse grafeenvellen hebben de opkomst van gecorreleerde fysica en platte banden aangetoond. Er is momenteel echter geen uniform begrip van de opkomst van platte banden en gecorreleerde fysica in deze verschillende moiré-systemen.”

“Een manier om een ​​uniform begrip te krijgen van de opkomst van platte banden en gecorreleerde fysica in alle verschillende op grafeen gebaseerde moiré-systemen is het bestuderen van platte banden in een enkele monolaag. Het bestuderen van een enkele monolaag grafeen kan ons vertellen welke ingrediënten we minimaal moeten laten zien platte banden en gecorreleerde fasen.”

De onderzoekers demonstreerden ook generalisatie door hun bevindingen uit te breiden naar dubbellaagse en drielaagse grafeenconfiguraties, wat potentieel voor supergeleiding aantoonde.

Ze toonden verder aan dat deze topologische platte banden extreem stabiel waren, wat hun robuustheid en betrouwbaarheid aangeeft voor het ondersteunen van de gecorreleerde fysica.

Behoud van kwaliteit en topologische transistors

Er zijn verschillende andere methoden om deze sterke elektronische interacties teweeg te brengen die aanleiding geven tot gecorreleerde fysica. Maar sommige kunnen de grafeenkwaliteit zelf beïnvloeden.

“Een veelgebruikte methode om sterke elektroneninteracties in grafeen te induceren omvat mechanische vervorming, maar deze aanpak brengt vaak de kwaliteit van grafeen in gevaar en brengt uitdagingen met zich mee op het gebied van controle.”

“Onze methode bevordert sterkere elektronische interacties door platte banden te induceren terwijl de intrinsieke hoogwaardige eigenschappen van grafeen behouden blijven”, aldus prof. Adam.

De onderzoekers zijn al bezig met een bedrijf genaamd FLEET die topologische transistors ontwikkelen en hopen dat hun werk met topologische platte banden kan helpen nieuwe apparaten te realiseren.

De bevindingen zijn opwindend voor de ontwikkeling van nieuwe op grafeen gebaseerde elektronica en bevorderen ook het begrip van de fysica van de gecondenseerde materie en de exotische fysica.