Graphenes magiske handling er afhængig af et lille twist

Kulstof er ikke det mest skinnende element, heller ikke det mest reaktive eller det sjældneste. Men det er en af ​​de mest alsidige.

Kulstof er rygraden i livet på jorden og de fossile brændstoffer, der er resultatet af det gamle livs bortgang. Kulstof er den essentielle ingrediens til at omdanne jern til stål, som ligger til grund for teknologier fra middelalderlige sværd til skyskrabere og ubåde. Og stærke, lette kulfibre bruges i biler, fly og vindmøller. Selv bare kulstof i sig selv er ekstraordinært tilpasningsdygtigt:Det er den eneste ingrediens i (blandt andet) diamanter, buckyballs og grafit (de ting, der bruges til at lave blyantbly).

Denne sidste form, grafit, er ved første øjekast den mest verdslige, men tynde plader af den rummer et væld af usædvanlig fysik. Forskning i individuelle atomtykke plader af grafit - kaldet grafen - tog fart efter 2004, da videnskabsmænd udviklede en pålidelig måde at fremstille det på (ved at bruge daglig klæbende tape til gentagne gange at pille lag fra hinanden). I 2010 gav tidlige eksperimenter, der demonstrerede grafens kvanterigdom, to forskere Nobelprisen i fysik.

I de senere år er grafen blevet ved med at give. Forskere har opdaget, at stabling af lag af grafen to eller tre ad gangen (kaldet henholdsvis tolagsgrafen eller trelagsgrafen) og vridning af lagene i forhold til hinanden åbner frugtbart nyt territorium for forskerne at udforske. Forskning i disse stablede ark af grafen er som det vilde vesten, komplet med tillokkelsen af ​​slående guld og usikkerheden om ukendt territorium.

Forskere ved JQI og Condensed Matter Theory Center (CMTC) ved University of Maryland, herunder JQI-stipendiater Sankar Das Sarma og Jay Sau og andre, har travlt med at skabe det teoretiske fysikfundament, der skal være et kort over dette nye landskab. Og der er meget at kortlægge; fænomenerne i grafen spænder fra det velkendte som magnetisme til mere eksotiske ting som mærkelig metallicitet, forskellige versioner af kvante Hall-effekten og Pomeranchuk-effekten - som hver især involverer elektroner, der koordinerer for at producere unik adfærd. En af de mest lovende årer for videnskabelige skatte er udseendet af superledning (tabsfri elektrisk strøm) i stablet grafen.

"Her er et system, hvor næsten alle interessante kvantefaser af stof, som teoretikere nogensinde kunne forestille sig, dukker op i et enkelt system, når vridningsvinklen, bærertætheden og temperaturen er indstillet i en enkelt prøve i et enkelt eksperiment," siger Das Sarma, som også er direktør for CMTC. "Lyder som magi eller videnskabsfantasi, bortset fra at det sker hver dag i mindst ti laboratorier i verden."

Rigdommen og mangfoldigheden af ​​den elektriske adfærd i grafenstabler har inspireret et stormløb af forskning. 2021 American Physical Society March Meeting inkluderede 13 sessioner, der omhandlede emnerne grafen eller snoede dobbeltlag, og Das Sarma var vært for en dagslang virtuel konference i juni for forskere for at diskutere snoet grafen og den relaterede forskning inspireret af emnet. Emnet stablet grafen er bredt repræsenteret i videnskabelige tidsskrifter, og online arXiv preprint-serveren har over 2.000 artikler postet om "dobbeltlagsgrafen" - næsten 1.000 siden 2018.

Måske overraskende er grafens rigdom af kvanteforskningsmuligheder knyttet til dets fysiske enkelhed.

Grafen er et gentagne bikageark med et kulstofatom i hvert hjørne. Kulstofatomerne holder stærkt til hinanden, hvilket gør ufuldkommenheder i mønsteret ualmindeligt. Hvert kulstofatom bidrager med en elektron, der frit kan bevæge sig mellem atomer, og elektriske strømme er meget gode til at rejse gennem de resulterende ark. Derudover er grafen let, har en trækstyrke, der er mere end 300 gange større end stål og er usædvanlig god til at absorbere lys. Disse funktioner gør det praktisk at arbejde med, og det er også nemt at få fat i.

Grafens rene, konsistente struktur er en fremragende udformning af fysikidealet for et todimensionelt fast materiale. Dette gør det til den perfekte legeplads til at forstå, hvordan kvantefysikken udspiller sig i materialet, uden at forskerne skal bekymre sig om komplikationer fra det ekstra rod, der opstår i de fleste materialer. Der er så en række nye egenskaber, der låses op ved at stable lag af grafen oven på hinanden. Hvert lag kan roteres (ved hvad videnskabsmænd kalder en "drejningsvinkel") eller forskydes i forhold til dets naboers sekskantede mønster.

Grafens strukturelle og elektriske egenskaber gør det nemt at ændre det kvantelandskab, som elektroner oplever i et eksperiment, hvilket giver forskerne flere muligheder for, hvordan man tilpasser eller tuner grafens elektriske egenskaber. Kombinationen af ​​disse grundlæggende byggeklodser har allerede resulteret i et væld af forskellige resultater, og de er ikke færdige med at eksperimentere.

En 'magisk' opblomstring

I kvanteverdenen af ​​elektroner i grafen er den måde, lagene sidder oven på hinanden på, vigtig. Når tilstødende ark i et dobbeltlag er snoet i forhold til hinanden, ender nogle atomer i det øverste ark næsten lige over deres tilsvarende nabo, mens andre steder ender atomer langt væk (på atomskala) fra ethvert atom i det andet ark. . Disse forskelle danner gigantiske, gentagne mønstre, der ligner fordelingen af ​​atomer i det enkelte ark, men over en meget længere skala, som vist på billedet øverst i historien og i den interaktive visuelle nedenstående.

Hver ændring af vinklen ændrer også skalaen af ​​det større mønster, der danner det kvantelandskab, som elektronerne bevæger sig igennem. Kvantemiljøerne dannet af forskellige gentagne mønstre (eller mangel på enhver organisation) er en af ​​hovedårsagerne til, at elektroner opfører sig forskelligt i forskellige materialer; især et materiales kvantemiljø dikterer de interaktioner, elektroner oplever. Så hver lille drejning af et grafenlag åbner en helt ny verden af ​​elektriske muligheder.

"Dette twist er virkelig en ny tuning-knap, der var fraværende før opdagelsen af ​​disse 2D-materialer," siger Fengcheng Wu, der har arbejdet med grafenforskning med Das Sarma som JQI og CMTC postdoc og nu samarbejder med ham som professor ved Wuhan Universitet i Kina. "I fysik har vi ikke for mange tuning-knopper. Vi har temperatur, tryk, magnetfelt og elektrisk felt. Nu har vi en ny tuning-knap, som er en stor ting. Og denne drejningsvinkel giver også nye muligheder for at studere fysik."

Forskere har opdaget, at omgivelserne i en speciel lille drejningsvinkel (ca. 1,1 grader) – lunefuldt kaldet den "magiske vinkel" – er helt rigtige til at skabe stærke interaktioner, der radikalt ændrer dets egenskaber. Når den præcise vinkel er nået, har elektronerne en tendens til at samle sig omkring visse områder af grafenen, og ny elektrisk adfærd dukker pludselig op, som om de blev tilkaldt med en dramatisk tryllekunstner. Magisk vinkelgrafen opfører sig som en dårligt ledende isolator under nogle omstændigheder og går i andre tilfælde til den modsatte yderlighed af at være en superleder - et materiale, der transporterer elektricitet uden tab af energi.

Opdagelsen af ​​grafen med magisk vinkel, og at det har en bestemt kvanteadfærd, der ligner en højtemperatursuperleder, var årets gennembrud i Physics World 2018. Superledere har mange værdifulde potentielle anvendelser, som at revolutionere energiinfrastruktur og lave effektive maglev-tog. At finde en praktisk superleder ved stuetemperatur har været en hellig gral for videnskabsmænd.

Opdagelsen af ​​en lovende ny form for superledning og et væld af andre elektriske mærkeligheder, alle med en praktisk ny knap at lege med, er en væsentlig udvikling, men det mest spændende for fysikere er alle de nye spørgsmål, som opdagelserne har rejst. Das Sarma har undersøgt mange aspekter af lagdelt grafen, hvilket har resulteret i mere end 15 artikler om emnet siden 2019; han siger, at to af de spørgsmål, der interesserer ham mest, er, hvordan grafen bliver superledende, og hvordan det bliver magnetisk.

"Forskellige grafen-multilag viser sig at være en rigere legeplads for fysik end noget andet kendt kondenseret stof eller atomare kollektivt system - forekomsten af ​​superledning, magnetisme, korreleret isolator, mærkeligt metal her er koblet med en underliggende ikke-triviel topologi, hvilket giver et samspil mellem interaktion, båndstruktur og topologi, som er unik og hidtil uset," siger Das Sarma. "Emnet bør forblive i forkant med forskningen i lang tid."

Mærkelige sengekammerater

Forskere har kendt til superledning og magnetisme i lang tid, men grafen er ikke der, hvor de forventede at finde dem. At finde begge enkeltvis var en overraskelse, men videnskabsmænd har også fundet de to fænomener, der forekommer samtidigt i nogle eksperimenter.

Superledning og magnetisme er normalt antagonister, så deres tilstedeværelse sammen i en grafenstabel antyder, at der sker noget usædvanligt. Forskere, ligesom Das Sarma, håber, at afdækning af, hvilke interaktioner der fører til disse fænomener i grafen, vil give dem en dybere forståelse af den underliggende fysik og måske give dem mulighed for at opdage flere materialer med eksotiske og nyttige egenskaber.

Et hint om den skat, der muligvis venter på at blive opdaget, er målinger af snoet dobbeltlagsgrafens elektriske egenskaber, som ligner adfærd set i visse højtemperatur-superledere. Dette tyder på, at grafen kan være afgørende for at løse mysterierne omkring højtemperatursuperledning.

De aktuelle ledetråde peger på, at det særlige ved elektroninteraktioner er nøglen til at forstå emnet. Superledning kræver elektroner for at parre sig, så de interaktioner, der driver parringen i grafenstabler, er naturligvis af interesse.

I en artikel offentliggjort i Physical Review B , Das Sarma, Wu og Euyheon Hwang, som tidligere var JQI-forsker og nu er professor ved Sungkyunkwan University i Sydkorea, foreslog, at det, der binder elektronpar i snoet dobbeltlagsgrafen, kan være overraskende banalt. De tror, ​​at parringsmekanismen kan være den samme som i de mest velforståede superledere. Men de tror også, at den konventionelle oprindelse kan resultere i ukonventionelle par.

Deres analyse tyder på, at det ikke kun er de vekselvirkninger, som elektroner har med hinanden, der forstærkes ved den magiske vinkel, men også elektronens vekselvirkning med vibrationer i kulstofatomerne. Vibrationerne, kaldet fononer, er den kvantemekaniske version af lyd og andre vibrationer i materialer.

I de bedst forståede superledere er det fononer, der binder elektroner i par. I disse superledere skal de partnere elektroner have modsatte værdier af deres spin - en kvanteegenskab relateret til, hvordan kvantepartikler orienterer sig i et magnetfelt. Men holdets teori antyder, at i grafen kan denne traditionelle parringsmekanisme ikke kun parre elektroner med modsatte spin, men også parre elektroner med samme spin. Deres beskrivelse af parringsmetoden giver en mulig forklaring til at hjælpe med at forstå superledningsevne i snoet dobbeltlagsgrafen og grafenbaserede materialer mere generelt.

"Ukonventionel superledning er meget eftertragtet i fysik, da den er eksotisk i sig selv og kan også finde anvendelser i topologisk kvanteberegning," siger Wu. "Vores teori giver en konventionel mekanisme hen imod ukonventionel superledning."

For nylig har Das Sarma, Sau, Wu og Yang-Zhi Chou, som er en JQI og CMTC post-doc forsker, samarbejdet om at udvikle et værktøj til at hjælpe videnskabsmænd med at forstå en række grafenstabler. Et papir om denne forskning blev for nylig accepteret i Physical Review Letters. De lavede en teoretisk ramme for at udforske den måde, elektroner opfører sig på på et sekskantet gitter. De var inspireret af eksperimenter med magisk vinkel snoet trelags grafen. Snoet trelagsgrafen har det midterste lag snoet i forhold til det øverste og nederste lag, som en ostesandwich med skiven snoet, så hjørnerne stikker ud. Denne grafensandwich har tiltrukket sig opmærksomhed, fordi den er vært for superledning ved en højere temperatur end versionen med to stakke.

Holdets teoretiske model giver en beskrivelse af elektronernes adfærd i en bestemt kvanteverden. Ved at bruge det på tilfældet med snoet trelagsgrafen viste de, at den ualmindelige parring af elektroner med samme spin kunne dominere elektronernes adfærd og være kilden til snoet trelagsgrafens superledningsevne.

Dette nye værktøj giver et udgangspunkt for at undersøge andre grafeneksperimenter. Og den måde, hvorpå den identificerede parringsmekanisme påvirker elektronerne, kan være væsentlig i fremtidige diskussioner om magnetismens rolle i grafeneksperimenter.

Magnetisme i stablet grafen er sit eget mystiske magiske trick. Magnetisme findes ikke i grafit eller enkelte lag af grafen, men opstår på en eller anden måde, når stakkene flugter. Det er især bemærkelsesværdigt, fordi superledning og magnetisme normalt ikke kan eksistere side om side i et materiale, som de ser ud til i grafenstabler.

"Denne ukonventionelle superledende tilstand i snoet trelagsgrafen kan modstå et stort magnetfelt, en egenskab, der sjældent ses i andre kendte superledende materialer," siger Chou.

I en anden artikel i Physical Review B , Das Sarma og Wu tacklede gåden med den samtidige tilstedeværelse af både superledning og magnetisme i snoet dobbeltlagsgrafen - et system som dobbeltlagsgrafen, men hvor snoningen er mellem to par justerede grafenplader (for i alt fire ark). Denne konstruktion med yderligere lag har tiltrukket sig opmærksomhed, fordi den skaber et kvantemiljø, der er mere følsomt end et grundlæggende dobbeltlag over for et elektrisk felt påført gennem stakken, hvilket giver forskerne en større evne til at justere superledningsevnen og magnetismen og observere dem i forskellige kvantesituationer.

I papiret giver holdet en forklaring på kilden til magnetisme, og hvordan et påført elektrisk felt kunne producere den observerede ændring af en staks magnetiske adfærd. De mener, at magnetismen opstår på en helt anden måde, end den gør i mere almindelige magneter, som jernbaserede køleskabsmagneter. I en jernmagnet har de enkelte jernatomer hver deres lille magnetfelt. Men holdet mener, at i grafen bliver kulstofatomerne ikke magnetiske. I stedet tror de, at magnetismen kommer fra elektroner, der bevæger sig frit gennem arket.

Deres teori antyder, at dobbelt-dobbelt-grafen bliver magnetisk på grund af, hvordan elektronerne skubber hinanden bedre fra hinanden i det særlige kvantemiljø. Dette ekstra skub kunne føre til, at elektronerne koordinerer deres individuelle magnetfelter for at skabe et større felt.

Koordinationen af ​​elektronspin kan også være relevant for parringen af ​​elektroner og dannelsen af ​​potentiel superledning. Spin kan forestilles som en pil, der ønsker at flugte med ethvert omgivende magnetfelt. Superledning svigter normalt, når magnetismen er stærk nok til, at den river de to modsat vendte spins fra hinanden. Men at begge spins er justeret i parrene, ville forklare de to fænomener, der fredeligt eksisterer side om side i grafeneksperimenter.

Omkring næste drejning i floden

Selvom disse teorier tjener som en guide for forskere, der skubber frem til grafenforskningens ukendte territorium, er de langt fra et endegyldigt kort. På den konference, Das Sarma arrangerede i juni, præsenterede en forsker nye observationer af superledning i tre stablede grafenplader uden nogen twist. Disse stakke forskydes således, at ingen af ​​lagene ligger lige oven på hinanden; hver sekskant har nogle af sine kulstofatomer placeret i midten af ​​de andre lags sekskanter. Eksperimentet afslørede to distinkte områder med superledning, hvoraf det ene er forstyrret af magnetisme og det andet ikke. Dette antyder, at twist måske ikke er den magiske ingrediens, der producerer alle de eksotiske fænomener, men det rejser også nye spørgsmål, tilbyder en vej til at identificere, hvilken elektronisk adfærd der skabes eller forstærkes af det "magiske" twist, og giver en ny mulighed at undersøge de grundlæggende kilder til den underliggende fysik.

Inspireret af dette arbejde og tidligere observationer af magnetisme i det samme samarbejde mellem Das Sarma, undersøgte Sau, Wu og Chou matematisk måden, hvorpå fononkobling af elektroner kan udspille sig i disse snoede stakke. Holdets analyse tyder på, at phonon-parring er den sandsynlige drivkraft for begge typer superledning, hvor en forekommer med matchende spin og en med modsatte spin. Dette arbejde, ledet af Chou, blev for nylig accepteret i Physical Review Letters og er blevet valgt som et PRL-redaktørforslag.

Disse resultater repræsenterer kun en brøkdel af arbejdet med grafeneksperimenter ved JQI og CMTC, og mange andre forskere har behandlet yderligere aspekter af dette rige emne. Men der er stadig meget at opdage og forstå, før emnet lagdelt grafen kortlægges og tæmmes territorium. Disse tidlige opdagelser antyder, at efterhånden som forskere graver dybere, kan de afsløre nye forskningsårer, der repræsenterer et væld af muligheder for at forstå ny fysik og måske endda udvikle nye teknologier.

"Applikationer er svære at forudsige, men den ekstreme tunbarhed af disse systemer, der viser så mange forskellige faser og fænomener, gør det sandsynligt, at der kan være applikationer," siger Das Sarma. "På dette stadium er det meget spændende grundforskning." + Udforsk yderligere

Forskere observerer, at translationssymmetri brydes i snoet dobbeltlagsgrafen