Fysikere skaber fem-sporet motorvej til elektroner

MIT fysikere og kolleger har skabt en fem-sporet motorvej til elektroner, der kunne tillade ultraeffektiv elektronik og mere. Værket, rapporteret i 9. maj-udgaven af ​​Science , er en af ​​flere vigtige opdagelser af det samme hold i løbet af det sidste år, der involverer et materiale, der i bund og grund er en unik form for blyantbly.

"Denne opdagelse har direkte konsekvenser for elektroniske enheder med lav effekt, fordi ingen energi går tabt under udbredelsen af ​​elektroner, hvilket ikke er tilfældet i almindelige materialer, hvor elektronerne er spredt," siger Long Ju, en adjunkt ved MIT-afdelingen. Fysik og tilsvarende forfatter til papiret.

Fænomenet er beslægtet med biler, der kører ned ad en åben vejbane i modsætning til dem, der bevæger sig gennem kvarterer. Nabobilerne kan stoppes eller bremses af andre bilister, der gør brat stop eller U-vendinger, der forstyrrer en ellers jævn pendling.

Et nyt materiale

Materialet bag dette arbejde, kendt som rhombohedral pentalayer graphene, blev opdaget for to år siden af ​​fysikere ledet af Ju. "Vi fandt en guldgrube, og hvert scoop afslører noget nyt," siger Ju, som også er tilknyttet MIT's Materials Research Laboratory.

I en Nanoteknologi papir sidste oktober Ju og kolleger rapporterede opdagelsen af ​​tre vigtige egenskaber, der stammer fra rhomboedral grafen. For eksempel viste de, at det kunne være topologisk eller tillade uhindret bevægelse af elektroner rundt om kanten af ​​materialet, men ikke gennem midten. Det resulterede i en motorvej, men krævede påføring af et stort magnetfelt, der er titusinder gange stærkere end Jordens magnetfelt.

I det nuværende arbejde rapporterer teamet om at skabe motorvejen uden magnetfelt.

Tonghang Han, en MIT kandidatstuderende i fysik, er medforfatter af papiret. "Vi er ikke de første til at opdage dette generelle fænomen, men vi gjorde det i et meget andet system. Og sammenlignet med tidligere systemer er vores mere simple og understøtter også flere elektronkanaler," forklarer Ju. "Andre materialer kan kun understøtte én vognbane på kanten af ​​materialet. Vi stødte pludselig op til fem."

Yderligere co-first forfattere af papiret, der har bidraget lige så meget til arbejdet er Zhengguang Lu og Yuxuan Yao. Lu er en postdoc associeret i Materials Research Laboratory. Yao udførte arbejdet som gæstende bachelorstuderende fra Tsinghua University. Andre forfattere er MIT professor Liang Fu i fysik; Jixiang Yang og Junseok Seo, begge kandidatstuderende i MIT fysik; Chiho Yoon og Fan Zhang fra University of Texas i Dallas; og Kenji Watanabe og Takashi Taniguchi fra National Institute for Materials Science i Japan.

Sådan fungerer det

Blyantbly eller grafit er sammensat af grafen, et enkelt lag af kulstofatomer arrangeret i sekskanter, der ligner en bikagestruktur. Rhombohedral grafen er sammensat af fem lag grafen stablet i en bestemt overlappende rækkefølge.

Ju og kolleger isolerede rhomboedral grafen takket være et nyt mikroskop Ju bygget på MIT i 2021, der hurtigt og relativt billigt kan bestemme en række vigtige egenskaber ved et materiale på nanoskala. Pentalayer romboedrisk stablet grafen er kun nogle få milliardtedele meter tyk.

I det nuværende arbejde puslede holdet med det originale system og tilføjede et lag wolframdisulfid (WS₂ ). "Interaktionen mellem WS₂ og pentallaget romboedrisk grafen resulterede i denne fem-sporede motorvej, der opererer ved nul magnetfelt," siger Ju.

Sammenligning med superledning

Det fænomen, som Ju-gruppen opdagede i rhombohedral grafen, der tillader elektroner at rejse uden modstand ved nul magnetfelt, er kendt som den kvante-anomale Hall-effekt. De fleste mennesker er mere fortrolige med superledning, et helt andet fænomen, der gør det samme, men som sker i meget forskellige materialer.

Ju bemærker, at selvom superledere blev opdaget i 1910'erne, tog det omkring 100 års forskning at lokke systemet til at arbejde ved de højere temperaturer, der er nødvendige for anvendelser. "Og verdensrekorden er stadig et godt stykke under stuetemperatur," bemærker han.

Tilsvarende kører den rhomboedriske grafen-supervej i øjeblikket ved omkring 2 Kelvin, eller -456 Fahrenheit. "Det vil kræve en stor indsats at hæve temperaturen, men som fysikere er vores opgave at give indsigten; en anden måde at realisere dette [fænomen]," siger Ju.

Opdagelserne, der involverer romboedral grafen, kom som et resultat af omhyggelig forskning, der ikke var garanteret at virke. "Vi prøvede mange opskrifter over mange måneder," siger Han, "så det var meget spændende, da vi afkølede systemet til en meget lav temperatur, og [en fem-sporet motorvej, der kører med nul magnetfelt] lige sprang ud."

Ju siger:"Det er meget spændende at være den første til at opdage et fænomen i et nyt system, især i et materiale, som vi har afdækket."

Flere oplysninger: Tonghang Han et al., Large quantum anomalous Hall effect in spin-orbit proximitized rhombohedral graphene, Science (2024). DOI:10.1126/science.adk9749

Journaloplysninger: Naturenanoteknologi , Videnskab

Leveret af Materials Research Laboratory, Massachusetts Institute of Technology