Låser op for eksotisk fysik:Udforsker grafenes topologiske bånd i supermoiré-strukturer

I en ny undersøgelse har forskere fra Singapore og Spanien præsenteret en ny vej til at udforske eksotisk fysik i grafen. De fokuserer på elektroniske interaktioner i grafen, når det er klemt i en tre-lags struktur, som giver en platform til at udnytte unikke elektroniske båndkonfigurationer.

Grafen er et 2D-ark af kulstofatomer arrangeret i et sekskantet gitter (arrangement), som demonstrerer egenskaber som høj elektrisk ledningsevne, mekanisk styrke og fleksibilitet. Dette har fanget videnskabsmænds interesse som en lovende kandidat til elektroniske ansøgninger.

Der er dog meget lidt undersøgt om de elektroniske egenskaber af monolagsgrafen.

I dette nye Physical Review Letters undersøgelse, fokuserede forskerne på at studere disse egenskaber ved at klemme grafen mellem to bulk bornitridlag.

Værket var en del af den første forfatter, Mohammed M. Al Ezzis ph.d. ved National University of Singapore (NUS), som nu arbejder som post-doc under Prof. Shaffique Adam ved NUS.

Moiré-potentialer, mønstre og gitter

I materialevidenskab stables forskellige lag af materialer oven på hinanden for at skabe en ny struktur kendt som en moiré-struktur. Disse lag er forkert justeret, hvilket fører til dannelsen af ​​et moiré-mønster.

Disse lag interagerer med hinanden gennem forskellige kræfter, i dette tilfælde gennem van der Waal-kræfter. Dette fører til variationer i den potentielle energi, som elektronen oplever i materialet (grafen eller bornitrid), kendt som moiré-potentialet.

Så moiré-potentialet opstår fra interferensen mellem atomarrangementerne af de to materialer, hvilket resulterer i en periodisk modulering af den potentielle energi i grafenlaget.

Dette moiré-potentiale spiller en afgørende rolle i at påvirke materialets elektroniske egenskaber og kan føre til fremkomsten af ​​unikke fænomener såsom flade bånd og topologiske tilstande.

Tre lag og topologiske bånd

Forskerne foreslår en trelagsstruktur med grafenlaget i midten for at inducere topologiske bånd. Den resulterende struktur er kendt som en super-moiré struktur.

Det kaldes en super-moiré-struktur, fordi der er to forskellige moiré-strukturer, fra de øverste og nederste bornitridsubstrater. Dette giver anledning til noget eksotisk fysik, hvilket vil sige ukonventionel fysik.

Prof. Adam forklarede:"Ved at placere grafen mellem bornitridsubstraterne og justere justeringen til specifikke vridningsvinkler, kan vi inducere topologiske flade bånd i grafens energispektrum. Disse flade bånd er til gengæld sandsynligvis vært for robuste, stærkt korrelerede elektrontilstande."

Topologiske bånd er en unik elektronisk tilstand i et materiale, der har særlige egenskaber på grund af dets usædvanlige struktur. De repræsenterer en afvigelse fra konventionelle elektroniske tilstande som ledere eller isolatorer.

For deres arbejde specificerede forskerne drejningsvinkler på 0 grader for det nederste bornitridlag og omkring 0,6 grader for det øverste bornitridlag. Disse vinkler repræsenterer mængden af ​​rotation anvendt på lagene i forhold til deres oprindelige orienteringer.

Forskernes model for trelagsstrukturen viste eksistensen af ​​et topologisk fladt bånd som et resultat af moiré-potentialet.

Disse flade bånd repræsenterer flade energiniveauer, hvilket betyder, at energien af ​​elektronerne inden for disse bånd ikke ændrer sig meget, da deres momentum varierer (tænk på det som at gå hen over et plateau).

Korreleret fysik og generalisering

Spørgsmålet, der opstår nu, er:Hvad er betydningen af ​​disse topologiske flade bånd?

Eksistensen af ​​disse flade bånd er en unik egenskab og kan bruges til at udnytte forskellige elektroniske egenskaber og derfor unikke elektroniske applikationer.

For eksempel opfører topologiske isolatorer sig som isolatorer i deres bulk, men leder elektricitet langs deres overflade eller kanter.

Forskerne mener, at disse topologiske flade bånd for monolagsgrafen kan give anledning til korreleret fysik, hvor elektronerne opfører sig som en kollektiv enhed (via coulombiske interaktioner), hvilket giver anledning til nye elektroniske tilstande, såsom superledning, magnetisme og isolerende faser.

Prof. Adam forklarede:"Forskellige moiré-systemer lavet af flere monolags grafenark har vist fremkomsten af ​​korreleret fysik og flade bånd. Der er dog i øjeblikket ingen samlet forståelse af fremkomsten af ​​flade bånd og korreleret fysik i disse forskellige moiré-systemer."

"En måde at få en samlet forståelse af fremkomsten af ​​flade bånd og korreleret fysik i alle de forskellige grafen-baserede moiré-systemer er at studere flade bånd i et enkelt monolagsark. At studere et enkelt monolags grafen kan fortælle os, hvilke minimumsingredienser vi skal vise. flade bånd og korrelerede faser."

Forskerne demonstrerede også generalisering ved at udvide deres resultater til grafen-dobbelt- og trelagskonfigurationer, hvilket viste potentiale for superledning.

De viste yderligere, at disse topologiske flade bånd var ekstremt stabile, hvilket indikerer deres robusthed og pålidelighed til at understøtte korreleret fysik.

Bevarelse af kvalitet og topologiske transistorer

Der er flere andre metoder til at inducere disse stærke elektroniske interaktioner, der giver anledning til korreleret fysik. Men nogle af dem kan påvirke selve grafenkvaliteten.

"En almindelig metode til at inducere stærke elektroninteraktioner i grafen involverer mekanisk deformation. Denne tilgang kompromitterer dog ofte kvaliteten af ​​grafen og giver udfordringer i kontrollen."

"Vores metode fremmer stærkere elektroniske interaktioner ved at inducere flade bånd og samtidig bevare grafenens iboende højkvalitetsegenskaber," sagde prof. Adam.

Forskerne er allerede involveret i et firma kaldet FLEET, som udvikler topologiske transistorer og håber, at deres arbejde med topologiske flade bånd kan hjælpe med at realisere nye enheder.

Resultaterne er spændende for udviklingen af ​​ny grafen-baseret elektronik og fremmer også forståelsen af ​​kondenseret stofs fysik og eksotisk fysik.

Flere oplysninger: Mohammed M. Al Ezzi et al., Topological Flat Bands in Graphene Super-Moiré Lattices, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.126401. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2306.10116

Journaloplysninger: arXiv , Physical Review Letters

© 2024 Science X Network