Internationaal team rapporteert krachtig hulpmiddel voor het bestuderen en afstemmen van atomair dunne materialen

Natuurkundigen zijn gefascineerd door systemen die zijn samengesteld uit materialen van slechts één of enkele lagen atomen dik. Wanneer een paar vellen van deze tweedimensionale materialen op elkaar worden gestapeld, kan een geometrisch patroon, een moirépatroon genaamd, worden gevormd. In deze zogenaamde moiré-systemen kunnen nieuwe, exotische fenomenen optreden, waaronder supergeleiding en onconventioneel magnetisme.

Dientengevolge zou een beter begrip van wat er gebeurt op de interface tussen elk blad om deze verschijnselen te veroorzaken, kunnen leiden tot bedwelmende toepassingen in nieuwe elektronica en nog veel meer.

Nu rapporteert een internationaal team van wetenschappers onder leiding van natuurkundigen aan het MIT een krachtige nieuwe tool voor het kwantificeren – en controleren – van een sleutelparameter in moiré-systemen. Het gaat om het uitoefenen van extreme druk op een moiré-systeem terwijl er licht doorheen schijnt, waarna de effecten worden geanalyseerd met Raman-spectroscopie, een gebruikelijke laboratoriumtechniek.

Even belangrijk voor het werk is een theoretisch model dat een raamwerk biedt voor het begrijpen van de experimentele gegevens.

Het werk wordt gemeld in Natuur Nanotechnologie.

“De techniek die we hebben ontwikkeld om deze moiré-systemen te onderzoeken, is methodologisch vergelijkbaar met de methoden van röntgenkristallografie op eiwitten waarmee biologen weten waar de atomen zich in een eiwit bevinden en hoe het eiwit gaat werken”, zegt Riccardo Comin, de Class of 1947 Career Development Assistant Professor of Physics aan het MIT.

De parameter die het team nu kan meten, bekend als het moiré-potentieel, “gaat ons vertellen welke fysica kan worden gerealiseerd in een bepaalde stapel tweedimensionale materialen. Het is een van de belangrijkste stukjes informatie die we nodig hebben om te voorspellen of een bepaald materiaal exotische fysica gaat vertonen of niet’, vervolgt Comin, die ook verbonden is aan het Materials Research Laboratory van MIT.

Net zo belangrijk is dat de techniek het team ook in staat stelt om het moiré-potentieel te “afstemmen” of te beheersen om mogelijk verschillende exotische fenomenen te bereiken.

Matthew Yankowitz, een assistent-professor natuurkunde aan de Universiteit van Washington die niet betrokken was bij het werk, zegt: “Druk is onlangs naar voren gekomen als een veelbelovende techniek voor het afstemmen van de eigenschappen van deze [moiré] materialen omdat het de sterkte van het moiré-potentieel rechtstreeks wijzigt. Door de optische eigenschappen van een halfgeleidende moiré-dubbellaag onder druk te bestuderen, heeft het team een ​​nieuwe manier ontgrendeld om de effecten van een moiré-superrooster te onderzoeken en te manipuleren. Dit werk legt de basis voor verdere vooruitgang in ons begrip en controle van de sterk gecorreleerde toestanden van materie die ontstaan ​​in halfgeleidende moiré-systemen.”

Het werk meldde in Natuur Nanotechnologie is het resultaat van een samenwerking tussen onderzoekers van MIT, Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) en drie federale universiteiten in Brazilië: Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP) en Universidade Federal Fluminense ( UFF).

Extreme druk, minuscule monsters

De experimentele opstelling die het team ontwikkelde om extreme druk uit te oefenen op een moiré-materiaal, in dit geval samengesteld uit twee ultradunne vellen van een overgangsmetaaldichalcogenide, houdt in dat het materiaal tussen twee diamantpunten wordt samengedrukt. De afmetingen van de opstelling en het monster zijn ongelooflijk klein. De diameter van de kamer waar dit plaatsvindt, is bijvoorbeeld vergelijkbaar met de breedte van een mensenhaar. “En we moeten ons tweedimensionale monster daar precies in plaatsen, dus het is een beetje lastig”, zegt Martins, leider van het werk om de opstelling te ontwikkelen.

Die afmetingen zijn nodig om de extreme druk te creëren die op het monster wordt uitgeoefend, vergelijkbaar met de druk die de Eiffeltoren zou uitoefenen op een stuk papier van 2,5 cm. Nog een analogie: de druk is zo’n 50 duizend keer de druk van de lucht om ons heen.

Experimenten en theorie

Het team scheen vervolgens licht door het monster en verzamelde het uitgestraalde licht. “Het licht laat wat energie achter in het materiaal en deze energie kan met verschillende dingen worden geassocieerd”, zei Martins. In dit geval richtte het team zich op energie in de vorm van trillingen. “Door het verschil te meten tussen de energieën van fotonen [light particles] als we in en uit het materiaal komen, kunnen we de energie van trillingen die in het materiaal zijn gecreëerd, onderzoeken’, vervolgt hij.

De intensiteit van het licht dat uit het materiaal komt dat bij die trillingen hoort, geeft op zijn beurt weer hoe sterk de elektronen in de ene atomair dunne laag communiceren met de elektronen in de andere. Hoe sterker die interacties, hoe groter de kans dat er exotische verschijnselen optreden. “Het moiré-potentieel is eigenlijk de kracht van die koppeling tussen de 2D-lagen”, zegt Comin.

Martins zegt: “Door de experimentele verbetering van de intensiteit van het uitgaande licht geassocieerd met deze trillingen te vergelijken met de berekeningen van ons theoretische model, waren we in staat om de sterkte van het moiré-potentieel en de evolutie ervan met druk te verkrijgen.”

Het theoretische model, ontwikkeld door Ruiz-Tijerina, is op zichzelf zeer geavanceerd. Comin zegt: “Het is een complex model omdat het atomen betreft, het gaat om elektronen en het is een zogenaamd groot supercelmodel. Dat betekent dat je niet slechts een enkele grootheid modelleert, zoals een enkel atoom met zijn elektronen, maar een grote verzameling van hen. Het kijkt echt naar de dynamiek van de atomen terwijl ze nog steeds in wisselwerking staan ​​met de elektronen om hen heen. ”

Ruiz-Tijerina concludeert: “Als het experiment laat zien wat je hebt voorspeld, of als je model daadwerkelijk kan reproduceren wat de experimenten meten, dan is dat een uniek gevoel.”