En enklere tilgang til at skabe kvantematerialer

Siden grafen først blev isoleret og karakteriseret i begyndelsen af ​​2000'erne, har forskere undersøgt måder at bruge dette atomisk tynde nanomateriale på på grund af dets unikke egenskaber såsom høj trækstyrke og ledningsevne.

I de senere år har snoet tolagsgrafen, lavet af to ark grafen snoet til en specifik "magisk" vinkel, vist sig at have superledning, hvilket betyder, at det kan lede elektricitet med meget lille modstand. At bruge denne tilgang til fremstilling af enheder er dog stadig udfordrende på grund af det lave udbytte af at fremstille snoet dobbeltlagsgrafen.

Nu viser en ny undersøgelse, hvordan mønstrede, periodiske deformationer af et enkelt lag grafen omdanner det til et materiale med elektroniske egenskaber, som tidligere er set i snoede grafen-dobbeltlag. Dette system er også vært for yderligere uventede og interessante ledende tilstande ved grænsen. Gennem en bedre forståelse af, hvordan unikke egenskaber opstår, når enkelte ark grafen udsættes for periodisk belastning, har dette arbejde potentiale til at skabe kvanteenheder såsom orbitalmagneter og superledere i fremtiden. Undersøgelsen, offentliggjort i Physical Review Letters , blev udført af kandidatstuderende Võ Tiến Phong og professor Eugene Mele i Penns Department of Physics &Astronomy på School of Arts &Sciences.

Et alternativ til den komplekse snoede dobbeltlagsmetode er at bruge enkeltlag af grafen, der placeres på et omhyggeligt mønstret substrat, kendt som en "sømmeleje", som påfører en ekstern kraft eller belastning på en periodisk måde. For bedre at forstå de kvantegeometriske egenskaber af dette system, satte Mele og Phong sig for at forstå den teori, der ligger til grund for, hvordan elektroner bevæger sig i dette enkeltlagssystem.

Efter at have kørt computersimuleringer af enkeltlagseksperimenter blev forskerne overraskede over at finde nye beviser for uventede fænomener langs overfladen af ​​materialet, men kun langs den ene side. "Generelt forbinder topologi i hovedparten med overfladeegenskaber, og når det er tilfældet, arver alle overflader egenskaben," siger Mele. "Her, det faktum, at der var kanttilstande på den ene side og ikke på den anden, slog mig som værende dybt usædvanligt."

Denne opdagelse var uventet, fordi i dette system var det gennemsnitlige pseudomagnetiske felt, induceret når systemet er belastet, nul - positivt i det ene område, men negativt i det andet, hvilket forskerne antog, ville udelukke ethvert unikt fænomen. "Hvis magnetfeltet er nul, vil du sandsynligvis ikke få nogen interessant fysik," siger Phong. "Tværtimod fandt vi ud af, at selvom det gennemsnitlige magnetfelt er nul, giver det dig stadig noget interessant fysik på kanten."

For at forklare dette uventede resultat tog Phong et nærmere kig på et lignende eksperimentelt system, hvor enkelte ark grafen bøjes for at simulere et konstant i stedet for periodisk belastningsinduceret felt. Phong fandt ud af, at dette system havde det samme topologiske indeks, hvilket betyder, at kanttilstande, der kun trives på en bestemt side af materialet, også ville forekomme. "Fysikken her var ens og syntes at være den rigtige forklaring på den fænomenologi, vi arbejdede på," siger Phong.

Samlet forudsiger denne undersøgelse, at flade bånd, der ligner dem, der findes i snoet tolagsgrafen, skabes ved at afsætte et atomisk tyndt enkeltlag på et bund-of-negle-substrat, der inducerer en periodisk forvrængning på grafenarket.

Forskerne er allerede på vej mod en endnu dybere forståelse af disse enkeltlagssystemer. En vej til yderligere forskning involverer et samarbejde med adjunkt Bo Zhen om at studere det samme fænomen ved hjælp af lysbølger. Forskerne er også interesserede i at se, om andre unikke egenskaber, der findes i snoet dobbeltlagsgrafen, også kan forekomme i enkeltlagssystemer.

"Selvom fysikken er enkel, hvilket betyder, at du kan få systemet til at opføre sig, som du vil på en mere kontrolleret måde, er den fænomenologi, du kan få ud af det, ikke. Det er meget rigt, og vi afdækker stadig nye ting. mens vi taler," siger Phong.

Og fordi disse enkeltlagssystemer er nemmere at arbejde med, har denne forbedrede teoretiske forståelse potentialet til at hjælpe med fremtidige opdagelser inden for kanttilstandsfysik, herunder mulige nye enheder såsom ultrasmå, utrolig hurtige kvantematerialer.

"Der er en enorm indsats lige nu for at forstå disse snoede grafen-dobbeltlag, og jeg tror, ​​at et interessant spørgsmål, vi sætter spørgsmålstegn ved her, er de væsentlige ingredienser i et fysisk system, der rent faktisk kunne gøre det," siger Mele. "Vi bygger kunstige strukturer, som du ikke kunne bygge fra toppen og ned i en interessant længdeskala - større end atomer, mindre end du kan gøre ved litografi - og hvis du har kontrol over det, er der mange ting, du kan gøre." + Udforsk yderligere

Et glimt inde i en grafensandwich