’s Werelds eerste micromachine draait 2D-materialen naar believen

Slechts een paar jaar geleden ontdekten onderzoekers dat het veranderen van de hoek tussen twee lagen grafeen, een atoomdikke laag koolstof, ook de elektronische en optische eigenschappen van het materiaal veranderde. Ze kwamen er toen achter dat een “twist” van 1,1 graden—ook wel de “magische” hoek genoemd—dit metaalachtige materiaal kon transformeren in een isolator of een supergeleider, een ontdekking die opwinding aanwakkerde over een mogelijk pad naar nieuwe kwantumtechnologieën.

Om de fysica die aan dit fenomeen ten grondslag ligt te bestuderen, moesten “twistronics”-onderzoekers tientallen tot honderden verschillende configuraties van de gedraaide grafeenstructuren produceren, een kostbaar en arbeidsintensief proces. Maar een team van onderzoekers onder leiding van Yuan Cao, de belangrijkste ontdekker van de magische hoek in 2018 en nu universitair docent elektrotechniek en computerwetenschappen aan UC Berkeley, heeft een apparaat gemaakt dat een enkele structuur op talloze manieren kan draaien.

In een studie gepubliceerd in Natuurdemonstreerden de onderzoekers ’s werelds eerste micromachine die 2D-materialen naar believen kan draaien.

Het op een chip geplaatste platform ter grootte van een vingernagel, genaamd MEGA2D, maakt gebruik van micro-elektromechanische systemen (MEMS) om spanningsgestuurde manipulatie van 2D-materialen uit te voeren, die slechts nanometers dik zijn, met ongekende flexibiliteit en precisie.

“Ons werk breidt de mogelijkheden van bestaande technologieën uit bij het manipuleren van laagdimensionale kwantummaterialen,” zei Cao. “Het baant ook de weg voor nieuwe hybride 2D- en 3D-structuren, met veelbelovende implicaties in de gecondenseerde-materiefysica, kwantumoptica en verwante gebieden.”

Eén enkele structuur, talrijke configuraties

Met behulp van de ultra-afstembare MEGA2D-technologie toonden Cao en zijn team meerdere, exotische eigenschappen aan in een enkele structuur gemaakt van twee stukken hexagonaal boornitride (een nauwe verwant van grafeen). Bovendien hadden ze slechts een handvol monsters nodig om de niet-lineaire optische eigenschappen van de structuur te bestuderen en de van der Waals-kracht te meten.

Eén bevinding verraste de onderzoekers echter. Ze merkten “wervelingen” op in de niet-lineaire optische eigenschappen van hexagonaal boornitride wanneer het werd gedraaid door MEGA2D.

“De wervelingen lijken op ‘half-skyrmionen’, een type topologisch quasi-deeltje dat in sommige magnetische materialen voorkomt, maar nooit is bedacht in niet-lineaire optische systemen”, aldus Haoning Tang, hoofdauteur van het artikel en postdoc aan de Harvard University.

“Deze niet-lineaire optische eigenschappen werden nog niet eerder besproken en zouden niet zijn ontdekt zonder het actieve afstemmingsplatform MEGA2D.”

Draaien en afstemmen

Volgens de onderzoekers heeft het MEGA2D-platform meerdere potentiële toepassingen naast twistronics, waaronder gebruik als een instelbare lichtbron voor klassieke of standaard gloeilampen en voor quantumversies. De laatste zijn speciale lichtbronnen die niet-lineaire optica gebruiken om blauw licht om te zetten in rood licht en die nuttig zijn voor quantumcomputing met behulp van fotonen.

“Traditioneel hebben deze kwantumlichtbronnen vaste polarisaties, de manier waarop lichtgolven in de ruimte oscilleren”, aldus Tang.

“Met ons MEGA2D-apparaat geeft de lichtbron een straal af met instelbare polarisatie en het afstembereik is zeer breed. Een hoogtepunt is dat het direct zogenaamd circulair gepolariseerd licht kan genereren, wat licht is dat op een roterende manier oscilleert en hoekmoment draagt.”

Voor nu gelooft het team dat de ware kracht van de MEGA2D-technologie ligt in fundamenteel onderzoek. Cao wijst erop dat de mensheid nog steeds op bepaalde manieren beperkt wordt door wat we kunnen zien en begrijpen over de natuur.

“Door deze nieuwe ‘knop’ via onze MEGA2D-technologie te hebben, voorzien we dat veel onderliggende puzzels in gedraaid grafeen en andere van der Waals-materialen eenvoudig kunnen worden opgelost”, aldus Cao. “Het zal zeker ook andere nieuwe ontdekkingen met zich meebrengen.”

Volgens Cao waren volharding en samenwerking de sleutel tot de succesvolle ontwikkeling van MEGA2D-technologie. Tang wordt grotendeels gecrediteerd voor het ontwerpen van het MEGA-platform en voor het realiseren van de visie om MEMS-technologie te gebruiken om 2D-interfaces in realtime te besturen.

“Dit is echt teamwerk dat enorm heeft geprofiteerd van de combinatie van expertise op het gebied van natuurkunde, techniek en een hoop geknutsel en plezier”, aldus Cao.