Fysikere finder fejljusterede kulstofplader giver uovertrufne egenskaber

Et materiale sammensat af to et-atom-tykke lag af kulstof har fanget fysikeres opmærksomhed verden over for dets spændende – og potentielt udnyttelige – ledende egenskaber.

Dr. Fan Zhang, assisterende professor i fysik ved School of Natural Sciences and Mathematics ved University of Texas i Dallas, og fysikdoktorand Qiyue Wang publicerede en artikel i juni med Dr. Fengnian Xias gruppe på Yale University i Naturfotonik der beskriver, hvordan snoet dobbeltlagsgrafens evne til at lede elektrisk strøm ændres som reaktion på mellem-infrarødt lys.

Fra et til to lag

Grafen er et enkelt lag af kulstofatomer arrangeret i et fladt bikagemønster, hvor hver sekskant er dannet af seks kulstofatomer ved sine hjørner. Siden grafens første isolation i 2004, dets unikke egenskaber er blevet intenst undersøgt af forskere til potentiel brug i avancerede computere, materialer og enheder.

Hvis to ark grafen er stablet oven på hinanden, og et lag roteres, så lagene er lidt ude af justering, den resulterende fysiske konfiguration, kaldet snoet dobbeltlagsgrafen, giver elektroniske egenskaber, der adskiller sig væsentligt fra dem, der udvises af et enkelt lag alene eller af to justerede lag.

"Graphene har været interessant i omkring 15 år, " sagde Zhang. "Et enkelt lag er interessant at studere, men hvis vi har to lag, deres interaktion skulle gøre fysikken meget rigere og mere interessant. Det er derfor, vi ønsker at studere tolags grafensystemer."

Et nyt felt dukker op

Når grafenlagene er forkert justeret, et nyt periodisk design i nettet dukker op, kaldet et moiré-mønster. Moiré-mønsteret er også en sekskant, men det kan bestå af mere end 10, 000 kulstofatomer.

"Vinklen, hvor de to lag af grafen er forkert justeret - vridningsvinklen - er kritisk vigtig for materialets elektroniske egenskaber, " sagde Wang. "Jo mindre vridningsvinklen er, jo større moiré-periodicitet."

De usædvanlige virkninger af specifikke vridningsvinkler på elektronadfærd blev først foreslået i en artikel fra 2011 af Dr. Allan MacDonald, professor i fysik ved UT Austin, og Dr. Rafi Bistritzer. Zhang var vidne til fødslen af ​​dette felt som doktorand i MacDonalds gruppe.

"På det tidspunkt, andre var virkelig ikke opmærksomme på teorien, men nu er det uden tvivl blevet det hotteste emne i fysik, " sagde Zhang.

I den forskning fra 2011 forudsagde MacDonald og Bistritzer, at elektronernes kinetiske energi kan forsvinde i et grafen-dobbeltlag, der er forkert justeret af den såkaldte "magiske vinkel" på 1,1 grader. I 2018, forskere ved Massachusetts Institute of Technology beviste denne teori, fandt ud af, at forskydning af to grafenlag med 1,1 grader frembragte en todimensionel superleder, et materiale, der leder elektrisk strøm uden modstand og uden energitab.

I en artikel fra 2019 i Science Advances, Zhang og Wang, sammen med Dr. Jeanie Laus gruppe på Ohio State University, viste, at når forskudt med 0,93 grader, snoet dobbeltlagsgrafen udviser både superledende og isolerende tilstande, derved udvide den magiske vinkel betydeligt.

"I vores tidligere arbejde, vi så superledning såvel som isolering. Det er det, der gør studiet af snoet dobbeltlagsgrafen til et så varmt felt – superledningsevne. Det faktum, at du kan manipulere rent kulstof til superledning, er fantastisk og hidtil uset, " sagde Wang.

Nye resultater fra UT Dallas

I hans seneste forskning i Nature Photonics, Zhang og hans samarbejdspartnere på Yale undersøgte, om og hvordan snoet dobbeltlagsgrafen interagerer med melleminfrarødt lys, som mennesker ikke kan se, men kan opdage som varme.

"Interaktioner mellem lys og stof er nyttige i mange enheder - f.eks. konvertere sollys til elektrisk strøm, " sagde Wang. "Næsten alle objekter udsender infrarødt lys, inklusive mennesker, og dette lys kan detekteres med enheder."

Zhang er en teoretisk fysiker, så han og Wang satte sig for at bestemme, hvordan mellem-infrarødt lys kunne påvirke konduktansen af ​​elektroner i snoet dobbeltlagsgrafen. Deres arbejde involverede at beregne lysabsorptionen ud fra moirémønstrets båndstruktur, et koncept, der bestemmer, hvordan elektroner bevæger sig i et materiale kvantemekanisk.

"Graphene har været interessant i omkring 15 år. Et enkelt lag er interessant at studere, men hvis vi har to lag, deres interaktion skulle gøre fysikken meget rigere og mere interessant. Det er derfor, vi ønsker at studere tolags grafensystemer, " han siger.

"Der er standardmåder til at beregne båndstrukturen og lysabsorptionen i en almindelig krystal, men dette er en kunstig krystal, så vi måtte finde på en ny metode, " sagde Wang. Ved at bruge ressourcer fra Texas Advanced Computing Center, en supercomputer facilitet på UT Austin campus, Wang beregnede båndstrukturen og viste, hvordan materialet absorberer lys.

Yale-gruppen fremstillede enheder og kørte eksperimenter, der viste, at den mellem-infrarøde fotorespons - stigningen i konduktans på grund af lyset, der skinnede - var usædvanlig stærk og størst ved vridningsvinklen på 1,8 grader. Den stærke fotorespons forsvandt for en vridningsvinkel mindre end 0,5 grader.

"Vores teoretiske resultater matchede ikke kun godt med de eksperimentelle resultater, men pegede også på en mekanisme, der er grundlæggende forbundet med perioden med moiré-mønster, som i sig selv er forbundet med snoningsvinklen mellem de to grafenlag, " sagde Zhang.

Næste skridt

"Vridningsvinklen er helt klart meget vigtig for at bestemme egenskaberne af snoet dobbeltlagsgrafen, " Zhang tilføjede. "Spørgsmålet opstår:Kan vi anvende dette til at tune andre todimensionelle materialer for at få hidtil usete funktioner? Også, kan vi kombinere fotoresponsen og superledningsevnen i snoet dobbeltlagsgrafen? For eksempel, kan det at skinne et lys fremkalde eller på en eller anden måde modulere superledning? Det bliver meget interessant at studere."

"Dette nye gennembrud vil potentielt muliggøre en ny klasse af infrarøde detektorer baseret på grafen med høj følsomhed, " sagde Dr. Joe Qiu, programleder for solid-state elektronik og elektromagnetik ved U.S. Army Research Office (ARO), et element af U.S. Army Combat Capabilities Development Command's Army Research Laboratory. "Disse nye detektorer vil potentielt påvirke applikationer som nattesyn, hvilket er af afgørende betydning for den amerikanske hær."