Onderzoekers passen de ‘magische’ hoek van grafeen op nanoschaal toe op de akoestiek

Twee atoomdunne koolstofplaten die op elkaar zijn gestapeld, bilayer graphene genaamd, vertonen unieke eigenschappen wanneer een van de lagen onder een bepaalde hoek wordt gedraaid – een ‘magische’ hoek. De studie van magie en andere hoekafwijkingen tussen twee lagen materiaal en hun effecten op materiaaleigenschappen wordt twistronics genoemd, een snel groeiend veld van de fysica van gecondenseerde materie.

Om twistronics naar de macroschaal te brengen, heeft een team van Penn State-onderzoekers een akoestisch equivalent van magisch-hoek dubbellaaggrafeen ontworpen. Hun paper werd onlangs geaccepteerd in Fysieke beoordeling B: snelle communicatie.

“Het onderzoeken van analogen van fysische concepten van gecondenseerde materie kan ons nieuwe ideeën en toepassingen in de akoestiek opleveren”, zegt Yun Jing, universitair hoofddocent akoestiek en biomedische technologie.

In een simulatie bouwde het onderzoeksteam het akoestische ontwerp uit een vlakke plaat met een hexagonaal gatenpatroon analoog aan de opstelling van atomen in grafeen op nanoschaal. Ze voegden nog een grafeenachtige plaatlaag toe, lijnden de platen uit maar lieten een verticale luchtspleet tussen de twee achter, en verdraaiden de bovenplaat. Deze draaiing creëerde een karakteristiek Moiré-patroon – ook te zien in typisch magisch-hoekgrafeen – als resultaat van twee over elkaar liggende soortgelijke patronen waarvan er een enigszins is geroteerd of verschoven.

Onderzoekers simuleerden vervolgens de beweging van geluidsgolven binnen de array. Ze ontdekten dat als golven zich onder bepaalde draaihoeken tussen de platen voortplantten, akoestische energie zich concentreerde rond specifieke delen van het Moiré-patroon waar gaten in de bovenste en onderste lagen uitgelijnd waren. Dit gedrag, zeiden de onderzoekers, weerspiegelde het gedrag van elektronen in magisch-hoekgrafeen op atomaire schaal.

“Elektronen die door materialen zoals grafeen bewegen, zijn mathematisch vergelijkbaar met akoestische golven die door de lucht bewegen tussen repetitieve structuren”, zegt Yuanchen Deng, doctoraalstudent akoestiek.

Deze overeenkomsten kunnen onderzoekers helpen om theoretisch verdere toepassingen van conventioneel grafeen met een magische hoek te onderzoeken zonder de beperkingen die gepaard gaan met experimenteren, aldus het team. Hun akoestische systeem zou daardoor gemakkelijker in een laboratorium te fabriceren zijn”s niet ontworpen op nanoschaal, zei Jing, en de twist zou gemakkelijker te controleren zijn gezien het monster’s groter formaat.

De onderzoekers ontdekten ook dat hun opstelling nieuwe mogelijkheden creëerde voor het verkennen van magische hoeken, waarvoor bestaand onderzoek zich richtte op kleine hoeken onder de drie graden. De onderzoekers konden de afstand tussen de grafeenplaten manipuleren om de magische hoek te regelen – iets wat buitengewoon moeilijk is voor grafeen met een magische hoek op nanoschaal. De onderzoekers ontdekten dat hun ontwikkeling een veel groter aantal magische hoeken opleverde dan eerder werd gedacht.

“Met een grotere draaihoek kunnen we de grootte van de structuur verkleinen”, zei Jing. “Monsters zullen gemakkelijker te simuleren en uiteindelijk te fabriceren zijn.”

De concentratie van golfenergie op bepaalde locaties van de akoestische grafeenreeks zou toepassingen kunnen hebben voor het oogsten van energie. Als de grafeenplaten zijn ontworpen om piëzo-elektrisch te zijn in de gebieden waar de akoestische energie beperkt is, kunnen ze mechanische energie van akoestische golftrillingen omzetten in elektrische energie. Met verder onderzoek zou akoestisch grafeen met een magische hoek geschikt kunnen worden voor het verzamelen van energie in verschillende scenario’s.

De onderzoekers zijn van plan om verdere mogelijkheden voor het akoestische magische-hoekgrafeen te onderzoeken en hun onderzoek uit te breiden naar gebieden met verschillende soorten golven.

“Door deze dubbellaagse opstelling op macroscopische schaal te brengen, kun je experimenteren met verschillende structuren en golven”, zei Deng. “Ons systeem is akoestisch, maar kan feedback geven voor elk systeem met wiskundige functies die vergelijkbaar zijn met golfvergelijkingen.”