Forsker kortlægger kvantesignaturer af elektronisk transport i grafen

I løbet af de sidste syv år, Javier Sanchez-Yamagishi har bygget flere hundrede nanoskala stablede grafensystemer for at studere deres elektroniske egenskaber. "Det, der interesserer mig meget, er, at egenskaberne ved dette kombinerede system afhænger følsomt af den relative tilpasning mellem dem, " han siger.

Sanchez-Yamagishi, som modtog sin ph.d. i januar, er nu postdoc i lektor Pablo Jarillo-Herreros gruppe. Han samler sandwich af grafen og bornitrid med forskellige vandrette orienteringer. "De tricks, vi ville bruge, var at lave renere enheder, køle dem ned til lave temperaturer og påføre meget store magnetfelter på dem, " siger Sanchez-Yamagishi, som udførte målinger ved National High Magnetic Field Laboratory i Tallahassee, Florida. Laboratoriet har den største kontinuerlige magnet i verden, 45 Tesla, hvilket er omkring 10, 000 gange styrken af ​​en køleskabsmagnet.

Sanchez-Yamagishi var hovedmedforfatter på et papir fra 2014 i Natur der viste, at det at have en komponent af det påførte magnetfelt i grafenplanet tvang elektroner ved kanten af ​​grafen til at bevæge sig i modsatte retninger baseret på deres spins. Hovedmedforfattere var postdoc Benjamin M. Hunt og Pappalardo Fellow Andrea Young, begge fra MIT Physics Professor Raymond C. Ashooris gruppe. Avisen var kulminationen på to års arbejde, siger Sanchez-Yamagishi.

"Vi forsøgte at realisere nogle interessante kvantetilstande i grafenen. Det kaldes en kvantespin Hall-tilstand, " forklarer Sanchez-Yamagishi. Det ville have applikationer inden for kvanteberegning, et område af interesse for gruppen, fordi Jarillo-Herrero er forsker i det National Science Foundation-finansierede Center for Integrated Quantum Materials.

Sanchez-Yamagishi var også medforfatter til et videnskabspapir fra 2013, hvor Jarillo-Herrero, Ashoori, og samarbejdspartnere viste, at en vis justering af lagdelt grafen og sekskantet bornitrid skabte et unikt båndgab i grafen, som kunne være en forløber for at udvikle materialet til funktionelle transistorer. Sanchez-Yamagishis medforfattere inkluderede igen Young, nu assisterende professor ved University of California i Santa Barbara, og Jagt, som vil slutte sig til fakultetet på Carnegie Mellon fysikafdeling til efteråret.

Hofstadters sommerfugl

Grafen- og bornitridlag har hver atomer arrangeret i en sekskantet, eller sekssidet, mønster. Når gitterarrangementet af grafen og sekskantede bornitridlag er tæt på linje, og prøverne udsættes for et stort magnetfelt uden for planet, de udviser elektroniske energiniveauer, der kaldes "Hofstadters sommerfugl, " fordi når de er plottet på en graf, ligner det en sommerfugl. Det, der ophidser fysikere, er, at denne sommerfugl er et af de sjældne eksempler på et fraktalt mønster i kvantefysikken. "Dette er fysik, der kun spiller ind, fordi elektronerne er meget små, og vi laver dem meget kolde. Så kvantefysik spiller en rolle, og den er meget anderledes, chokerende anderledes, " siger Sanchez-Yamagishi.

"Ud over Hofstadter sommerfugleresultatet, de samme enheder var også de første til at vise et båndgab i grafen. Jarillo-Herrero siger, "Det, der var meget uventet, var, at vi viste, at grafen, som normalt klarer sig rigtig godt, under betingelserne i det forsøg med en meget lav rotationsvinkel mellem grafen og HBN, blev en isolator. Den fungerede overhovedet ikke. Det var en opførsel, som var uventet, og det er den stadig. Teoretikere forsøger stadig at forstå hvorfor. På et kvantitativt niveau, det er ikke forstået endnu. Så det forstås kvalitativt, men ikke kvantitativt."

Heldigvis opdagelse

Den ejendommelige elektroniske opførsel af grafen kommer fra dets molekylære struktur, som er som en honeycomb eller kyllingetrådsformet gitter af kulstofatomer. Når disse bikagestrukturer stables oven på hinanden, hvis de er ude af linje, de skaber et såkaldt moire-mønster, som varierer med drejning af lagene i forhold til hinanden. "Det, der skete, var det ved et tilfælde, vi fik disse prøver, der viste denne Hofstadter-fysik. Så det var ikke vores oprindelige hensigt, Sanchez-Yamagishi forklarer. "For at se Hofstadter fysik, grafen skal være meget tæt på linje med sekskantet bornitrid. Når det er tæt på linje, du har et meget stort supergitter, og så bliver fysikken stærkt påvirket, og det er derfor, vi var i stand til at observere denne Hofstadter-fysik, " siger han. For at sige det på en anden måde, han siger, "Når de er forkert justeret, moiréen er meget lille, og når moiréen er lille, det har meget lidt effekt på elektronens fysik. Men når de er på linje, jo mere de er justeret, jo større moiré og jo stærkere effekt på elektronerne, og så dybest set for at se denne type Hofstadter-fysik har du brug for en stor moire."

Mens denne bikagestruktur findes i grafit, en velkendt bulkform for kulstof, dets særlige egenskaber viser sig kun, når lag af grafen, der kun er et til få atomer tykke, er adskilt fra grafitten. "Graphen leder elektricitet bedre end grafit. Det leder bedre end sølv eller guld, " siger Sanchez-Yamagishi.

Sanchez-Yamagishi byggede en maskine i laboratoriet, der stablede ekstremt tynde lag af grafen og lignende materialer. Når to lag af grafen er forkert justeret, de kaldes snoet dobbeltlagsgrafen. "I grafit, normalt er alle lagene på linje med hinanden; elektroner bliver bremset, " forklarer han. Det viser sig, at hvis to lag grafen er stablet på linje, elektroner, der bevæger sig inden for et lag, bremses på samme måde. Men med grafen, hvis lagene, der er stablet oven på hinanden, er forkert justeret, de virker, som om det ene lag ikke rigtig mærker det andet lag. "I kan lægge det lige oven på hinanden, de forbliver faktisk afkoblet fra hinanden, og det kan stadig lede elektricitet i grunden, lige så godt som hvis det stadig var et enkelt ark grafen, " siger han. "Hvis de er forkert justeret, så bliver elektronen i det ene lag ikke påvirket af de andre lag og lyner hurtigt sammen."

Mens twisten, eller rotation ude af justering, kan øge elektronstrømmen gennem individuelle lag, det har den modsatte effekt på elektroner, der bevæger sig mellem lag. "Selvom de er lige oven på hinanden, atomer fra hinanden, hvis du vrider dem, så kan elektronerne faktisk ikke gå fra det ene lag til det andet bare af sig selv. De har brug for hjælp fra andre elementer i systemet. Så du kan lægge dem lige oven på hinanden, de er faktisk ikke elektrisk forbundet. Det er relateret til dette moiré-mønster. Det er på grund af snoningen mellem de to lag, der adskiller dem på denne måde, " siger Sanchez-Yamagishi.

Indlæringskurve

En af de første kandidatstuderende, der sluttede sig til Jarillo-Herreros gruppe i 2008, Sanchez-Yamagishi, 28, siger, at han er vokset fra først at bruge måneder på at lave grafen af ​​god kvalitet til nu at lave meget indviklede grafenenheder og derefter kombinere med andre materialer. Guldkontakter sender strøm gennem grafenet for at måle dets elektriske egenskaber. Tit, grafenformer, der bruges i testenheder, er uregelmæssigt formet, da det er sådan, de kommer fra det naturlige grafitmateriale. Grafitten gnides på et ark silicium og løftes af med speciel tape for at skabe tynde lag af grafen. Maksimering af mængden af ​​grafen, der kan bruges til en enhed, prioriteres frem for at få den til at se pæn ud, siger Sanchez-Yamagishi. "Vi forsøger at skubbe teknologien til det højeste niveau, så vi er lidt afhængige af slutningen af ​​distributionen her. Vi ønsker at få den ende, dem, der yder unormalt godt, fordi vi ønsker at demonstrere fysikken, " siger han. "Til sidst, vi luger ud i dem, der ikke er af høj kvalitet, og vi beholder dem, der er bedst."

Undersøgelserne er udført ved lave temperaturer, omkring 4 kelvin - selvom nogle er endnu koldere, målt i millikelvin. "Et stort fokus i vores laboratorium er netop at studere elektricitet i form af, hvordan elektroner bevæger sig rundt, og for at gøre det, vil vi først køle det ned til lave temperaturer, hvor alt, hvad vi ser, er, hvordan elektronen primært opfører sig af sig selv, og så kan vi også bekymre os om at gøre tingene mere komplicerede, " forklarer Sanchez-Yamagishi. Han er også mentor for nuværende kandidatstuderende Yuan Cao og Jason Luo.

I september, Sanchez-Yamagishi vil begynde et to-årigt postdoc-stipendium ved Harvard University Quantum Optics Center, hvor han vil arbejde på nitrogen-ledige centre i diamant under ledende forsker Mikhail Lukin. "Min baggrund er elektronik i grafen, så ideen er at kombinere elektroner i grafen med fotoner i diamanter, " siger han. Han håber til sidst at blive fysikprofessor.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.