Forskere anvender grafenmagisk vinkel i nanoskala til akustik

To atomare tynde carbonplader stablet oven på hinanden, kaldet tolagsgrafen, udviser unikke egenskaber, når et af lagene er snoet i en bestemt vinkel - en "magisk" vinkel. Studiet af magi og andre vinkelforskelle mellem to materialelag og deres indvirkning på materialeegenskaber er blevet kaldt twistronics, et hurtigt ekspanderende felt af kondenseret stofs fysik.

For at bringe twistronics til makroskalaen, et hold af Penn State-forskere har designet en akustisk ækvivalent til tolagsgrafen med magisk vinkel. Deres papir blev for nylig accepteret i Fysisk gennemgang B:Hurtig kommunikation .

"At undersøge analoger af kondenseret stofs fysikkoncepter kan give os nye ideer og anvendelser inden for akustik, " sagde Yun Jing, lektor i akustik og biomedicinsk teknik.

I en simulering, forskerholdet byggede det akustiske design ud fra en flad plade indeholdende et sekskantet mønster af huller analogt med arrangementet af atomer i grafen på nanoskala. De tilføjede endnu et grafen-lignende pladelag, at justere pladerne, men efterlade en lodret luftspalte mellem de to, og vred toppladen. Denne drejning skabte et karakteristisk Moiré-mønster - også set i typisk magisk vinkelgrafen - som følge af to overlejrede lignende mønstre, hvor det ene er let roteret eller forskudt.

Forskere simulerede derefter lydbølgernes bevægelse i arrayet. De fandt ud af, at da bølger forplantede sig mellem pladerne i visse snoningsvinkler, akustisk energi koncentreret omkring specifikke områder af Moiré-mønsteret, hvor hullerne i det øverste og nederste lag er justeret. denne adfærd, sagde forskerne, spejlede elektronernes opførsel i magisk vinkelgrafen på atomær skala.

"Elektroner, der bevæger sig gennem materialer som grafen, ligner matematisk akustiske bølger, der bevæger sig gennem luften mellem gentagne strukturer, " sagde Yuanchen Deng, doktorand i akustik.

Disse ligheder kan hjælpe forskere med teoretisk at udforske yderligere anvendelser af konventionel magisk vinkelgrafen uden de begrænsninger, der følger med at eksperimentere med det, sagde holdet. Deres akustiske system ville være lettere at fremstille i et laboratorium, fordi det ikke er designet på nanoskala, Jing sagde, og drejningen ville være lettere at kontrollere i betragtning af prøvens større størrelse.

Forskerne fandt også ud af, at deres opsætning skabte nye muligheder for at udforske magiske vinkler, hvor eksisterende forskning har fokuseret på små vinkler under tre grader. Forskerne kunne manipulere afstanden mellem grafenpladerne for at kontrollere den magiske vinkel - noget ekstremt svært for magisk vinkelgrafen på nanoskala. Forskerne fandt ud af, at deres udvikling gav et meget større antal magiske vinkler end tidligere antaget.

"Med en større vridningsvinkel, vi kan reducere størrelsen af ​​strukturen, " sagde Jing. "Prøver vil være nemmere at simulere og i sidste ende fremstille."

Koncentrationen af ​​bølgeenergi på visse steder i det akustiske grafenarray kunne have anvendelser til energihøst. Hvis grafenpladerne er konstrueret til at være piezoelektriske i de områder, hvor den akustiske energi er begrænset, de kunne omdanne mekanisk energi fra akustiske bølgevibrationer til elektrisk energi. Med yderligere forskning, akustisk magisk vinkel grafen kunne blive egnet til at indsamle energi i en række forskellige scenarier.

Forskerne planlægger at undersøge yderligere muligheder for den akustiske magiske vinkel grafen samt udvide deres forskning inden for områder vedrørende forskellige typer bølger.

"At bringe denne dobbeltlagsopsætning ind i den makroskopiske skala, du kan eksperimentere med forskellige strukturer og bølger, " sagde Deng. "Vores system er akustisk, men kan give feedback til alle systemer, der bruger matematiske funktioner, der ligner bølgeligninger."