Onderzoekers observeren interband collectieve excitaties in gedraaid dubbellaags grafeen

Gedraaid dubbellaags grafeen is een op koolstof gebaseerd, tweedimensionaal (2D) materiaal dat bestaat uit twee grafeenlagen. Hoewel veel wetenschappers onlangs zijn begonnen met het verkennen van het potentieel voor supergeleiding en magnetisme, zijn er tot nu toe maar heel weinig optische onderzoeken geweest die het hebben onderzocht.

Gedraaid dubbellaags grafeen kan enorm andere eigenschappen vertonen dan die van enkele lagen grafeen, vooral wanneer de twee lagen waaruit het is samengesteld onder een kleine hoek, ongeveer 1 graad, ten opzichte van elkaar zijn geroteerd. Het onderzoeken en onderzoeken van deze eigenschappen kan zeer waardevol zijn, omdat het uiteindelijk het huidige begrip van supergeleiding kan verbeteren en het gebruik ervan voor de ontwikkeling van nieuwe apparaten kan vergemakkelijken.

Onderzoekers van het Institute of Photonics Sciences in Barcelona en het Massachusetts Institute of Technology (MIT), evenals andere instituten over de hele wereld, hebben onlangs een studie uitgevoerd die gericht is op het onderzoeken van de collectieve excitaties van gedraaid dubbellaags grafeen met een ruimtelijke resolutie van 20 nm, met behulp van een optische techniek die bekend staat als mid-infrared near-field optische microscopie. Hun inspanningen, geschetst in een paper gepubliceerd in Natuurfysica, leidde tot de waarneming van interband collectieve excitaties in het materiaal.

“Gedraaid dubbellaags grafeen is interessant voor optische experimenten, vooral vanwege de platte banden in combinatie met de eerste opgewonden energieband die ook relatief vlak is”, vertelde Niels Hesp, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, aan Phys.org. “Zoals voorspeld in eerdere theoretische werken, zorgt dit voor een sterke interbandovergang bij infrarode energieën, waardoor het zelfs bij kamertemperatuur toegankelijk is. Onze experimenten waren gericht op het bestuderen van de collectieve excitaties die worden gevormd door deze optische overgangen.”

Near-field optische microscopie is een geavanceerde techniek die kan worden gebruikt om de optische eigenschappen op het oppervlak van een materiaal te onderzoeken met een resolutie van ~20 nm, wat ver onder de diffractielimiet ligt, het punt waarop optische systemen objecten slecht beginnen af ​​te beelden (dwz , beelden worden wazig). Bij deze techniek wordt licht via een zeer scherpe punt in een monster gekoppeld, wat ook zorgt voor het benodigde momentum om interbandplasmonen te lanceren.

“Dankzij een lange samenwerking met de groep van Pablo Jarrillo-Herrero aan het MIT, hadden we vroege toegang tot hun monsters,” zei Hesp. “In feite was een van de monsters die ze in 2016 voor ons maakten de eerste die de isolatietoestand van Mott liet zien. De eerste waarneming van interbandplasmonen in gedraaid dubbellaags grafeen kwam als een verrassing tijdens het uitvoeren van de metingen, omdat we niet echt zeker wisten wat verwachten.”

De optische metingen verzameld door Hesp en zijn collega’s onthulden een zich voortplantende plasmonmodus in ladingsneutraal gedraaid dubbellaags grafeen dat duidelijk verschilt van het intraband-plasmon dat wordt waargenomen in enkellaags grafeen. In hun paper suggereert het team dat dit een interband-plasmon zou kunnen zijn dat verband houdt met de optische overgangen tussen minibanden die afkomstig zijn van de moiré-superroosterstructuur van het materiaal.

“Ons werk laat zien dat gedraaid dubbellaags grafeen even interessant is voor optische studies, vooral omdat het het eerste systeem is waar zich voortplantende interbandplasmonen hebben gezien met een redelijke kwaliteitsfactor,” zei Hesp. “Deze excitatie vindt zelfs plaats in een ongedoteerde toestand, wat betekent dat er geen externe spanning nodig is. Hoewel toepassingen in de echte wereld ver vooruit zijn, vormt het een andere bouwsteen voor de ‘plasmonische toolkit’, die werkt aan geïntegreerde optische schakelingen op nanoschaal.”

De waarnemingen bieden waardevol nieuw inzicht in de onderscheidende eigenschappen van het veelbelovende supergeleidende materiaal gedraaid dubbellaags grafeen. In de toekomst zou hun werk zo kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van verschillende, nieuwe optische apparaten en geïntegreerde schakelingen.

“Omdat verwrongen grafeenstructuren een klasse materialen vormen die veel fascinerende verschijnselen herbergen, zijn we eigenlijk net begonnen aan de reis”, zegt prof. Koppens, de leider van het onderzoek. “We streven er nu naar om met optica toegang te krijgen tot de gecorreleerde toestanden bij cryogene temperaturen. Daartoe hebben we een nieuw type near-field-microscoop geïnstalleerd die tot 5K kan werken, waarin we de interactie van licht met de sterk interagerende elektronen bestuderen. Deze techniek blijkt erg gevoelig te zijn voor de elektronische eigenschappen van TBG en zou mogelijk kunnen wijzen op de fysieke mechanismen van de supergeleidende en magnetische verschijnselen.”