Forskere observerer interband kollektive excitationer i snoet dobbeltlagsgrafen

Snoet dobbeltlagsgrafen er et kulstofbaseret, todimensionelt (2D) materiale, der består af to grafenlag. Selvom mange videnskabsmænd for nylig er begyndt at udforske dets potentiale for superledning og magnetisme, har der indtil videre været meget få optiske undersøgelser, der har undersøgt det.

Snoet dobbeltlagsgrafen kan udvise vidt forskellige egenskaber end enkeltlags grafen, især når de to lag, det er sammensat af, roteres i forhold til hinanden med en lille vinkel, cirka 1 grad. At undersøge og undersøge disse egenskaber kan være yderst værdifuldt, da det i sidste ende kan forbedre den nuværende forståelse af superledning og lette dens brug til udvikling af nye enheder.

Forskere ved Institute of Photonics Sciences i Barcelona og Massachusetts Institute of Technology (MIT), samt andre institutter verden over, har for nylig udført en undersøgelse med det formål at undersøge de kollektive excitationer af snoet dobbeltlagsgrafen ved en rumlig opløsning på 20 nm, ved hjælp af en optisk teknik kendt som midt-infrarød optisk nærfeltsmikroskopi. Deres indsats er beskrevet i et papir offentliggjort i Nature Physics , førte til observation af interband kollektive excitationer i materialet.

"Twisted to-layer graphene er interessant til optiske eksperimenter, især på grund af de flade bånd kombineret med det første exciterede energibånd, der også er relativt fladt," siger Niels Hesp, en af ​​forskerne, der har udført undersøgelsen, til Phys.org. "Som forudsagt i tidligere teoretiske værker giver dette mulighed for en stærk interband-overgang ved infrarøde energier, hvilket gør den tilgængelig selv ved stuetemperatur. Vores eksperimenter var rettet mod at studere de kollektive excitationer, der dannes fra disse optiske overgange."

Nærfelts optisk mikroskopi er en avanceret teknik, der kan bruges til at undersøge de optiske egenskaber på et materiales overflade ved en opløsning på ~20 nm, hvilket er langt under diffraktionsgrænsen, det punkt, hvor optiske systemer begynder at afbilde objekter dårligt (dvs. , bliver billeder slørede). Med denne teknik kobles lys til en prøve via en meget skarp spids, som også giver det nødvendige momentum til at starte interband-plasmoner.

"Takket være et langt samarbejde med Pablo Jarrillo-Herreros gruppe på MIT, havde vi tidlig adgang til deres prøver," sagde Hesp. "Faktisk var en af ​​de prøver, de fremstillede til os i 2016, den første, der viste Motts isolerende tilstand. Den første observation af interband-plasmoner i snoet dobbeltlagsgrafen kom som en overraskelse, mens vi kørte målingerne, da vi ikke rigtig var sikre på, hvad at forvente."

De optiske målinger indsamlet af Hesp og hans kolleger afslørede en udbredende plasmontilstand i ladningsneutral snoet dobbeltlagsgrafen, der er markant forskellig fra den intrabåndsplasmon observeret i enkeltlagsgrafen. I deres papir foreslår holdet, at dette kunne være en interband-plasmon forbundet med de optiske overgange mellem minibånd, der stammer fra materialets moiré-supergitterstruktur.

"Vores arbejde viser, at snoet dobbeltlagsgrafen er lige så interessant for optiske undersøgelser, især da det er det første system, hvor der er set udbredte interband-plasmoner med en rimelig kvalitetsfaktor," sagde Hesp. "Denne excitation forekommer selv i en udopet tilstand, hvilket betyder, at der ikke kræves nogen ekstern spænding. Selvom applikationer i den virkelige verden er langt fremme, udgør den endnu en byggesten til det 'plasmoniske værktøjssæt", der arbejder hen imod integrerede optiske kredsløb i nanoskala."

Observationerne giver værdifuld ny indsigt om de karakteristiske egenskaber af det lovende superledende materiale snoet dobbeltlagsgrafen. I fremtiden vil deres arbejde således kunne bidrage til udviklingen af ​​forskellige, nye optiske enheder og integrerede kredsløb.

"Da snoede grafenstrukturer udgør en klasse af materialer, der er vært for mange fascinerende fænomener, er vi stort set lige startet på rejsen," siger prof. Koppens, lederen af ​​undersøgelsen. "Vi sigter nu mod at få adgang til de korrelerede tilstande ved kryogene temperaturer med optik. Til dette formål installerede vi en ny type nærfeltsmikroskop, der kan operere ned til 5K, hvor vi studerer lysets interaktion med de stærkt interagerende elektroner. Denne teknik viser sig at være meget følsom over for TBG's elektroniske egenskaber og kan potentielt pege på de fysiske mekanismer af de superledende og magnetiske fænomener." + Udforsk yderligere

Forskere observerer, at translationssymmetri brydes i snoet dobbeltlagsgrafen

© 2021 Science X Network