Fysikere forvandler blyantbly til metaforisk guld
MIT fysikere og kolleger har metaforisk forvandlet grafit, eller blyant bly, til guld ved at isolere fem ultratynde flager stablet i en bestemt rækkefølge. Det resulterende materiale kan derefter tunes til at udvise tre vigtige egenskaber, som aldrig før er set i naturlig grafit.
"Det er lidt ligesom one-stop shopping," siger Long Ju, en adjunkt i MIT Department of Physics og leder af arbejdet, som er rapporteret i Nature Nanotechnology . "I dette tilfælde har vi aldrig indset, at alle disse interessante ting er indlejret i grafit."
Yderligere siger han:"Det er meget sjældent at finde materialer, der kan huse så mange egenskaber."
Grafit er sammensat af grafen, som er et enkelt lag af kulstofatomer arrangeret i sekskanter, der ligner en bikagestruktur. Grafen har til gengæld været i fokus for intens forskning, siden det først blev isoleret for omkring 20 år siden. Så for omkring fem år siden opdagede forskere, herunder et hold ved MIT, at stabling af individuelle ark grafen og vridning af dem i en lille vinkel i forhold til hinanden kan give materialet nye egenskaber, fra superledning til magnetisme. Feltet "twistronics" blev født.
I det nuværende arbejde "har vi opdaget interessante egenskaber uden nogen vridning overhovedet," siger Ju, som også er tilknyttet Materials Research Laboratory.
Han og kolleger opdagede, at fem lag af grafen arrangeret i en bestemt rækkefølge gør det muligt for elektronerne, der bevæger sig rundt inde i materialet, at tale med hinanden. Dette fænomen, kendt som elektronkorrelation, "er den magi, der gør alle disse nye egenskaber mulige," siger Ju.
Bulk grafit - og endda enkelte ark grafen - er gode elektriske ledere, men det er det. Materialet Ju og kolleger isoleret, som de kalder pentalayer rhombohedral stacked graphene, bliver meget mere end summen af dets dele.
Nyt mikroskop
Nøglen til at isolere materialet var et nyt mikroskop Ju bygget på MIT i 2021, der hurtigt og relativt billigt kan bestemme en række vigtige egenskaber ved et materiale på nanoskala. Pentalayer romboedrisk stablet grafen er kun nogle få milliardtedele meter tyk.
Forskere inklusive Ju ledte efter flerlagsgrafen, der var stablet i en meget præcis rækkefølge, kendt som rhombohedral stabling. Siger Ju, "der er mere end 10 mulige stablingsordrer, når du går til fem lag. Rhombohedral er kun en af dem." Mikroskopet Ju bygget, kendt som Scattering-type Scanning Nearfield Optical Microscopy, eller s-SNOM, gjorde det muligt for forskerne kun at identificere og isolere pentallagene i den romboedriske stablingsrækkefølge, de var interesserede i.
Tre i én
Derfra satte holdet elektroder til en lille sandwich bestående af bornitrid-"brød", der beskytter det sarte "kød" af pentalags-rhombohedral stablet grafen. Elektroderne tillod dem at indstille systemet med forskellige spændinger eller mængder af elektricitet. Resultatet:de opdagede fremkomsten af tre forskellige fænomener afhængigt af antallet af elektroner, der oversvømmer systemet.
"Vi fandt ud af, at materialet kunne være isolerende, magnetisk eller topologisk," siger Ju. Sidstnævnte er lidt relateret til både ledere og isolatorer. I det væsentlige, forklarer Ju, tillader et topologisk materiale uhindret bevægelse af elektroner rundt om kanterne af et materiale, men ikke gennem midten. Elektronerne bevæger sig i én retning langs en "motorvej" ved kanten af materialet adskilt af en median, der udgør midten af materialet. Så kanten af et topologisk materiale er en perfekt leder, mens midten er en isolator.
"Vores arbejde etablerer romboedrisk stablet flerlagsgrafen som en meget afstembar platform til at studere disse nye muligheder for stærkt korreleret og topologisk fysik," konkluderer Ju og hans medforfattere.
Ud over Ju er forfatterne til papiret Tonghang Han og Zhengguang Lu. Han er kandidatstuderende ved Institut for Fysik; Lu er en postdoc associeret i Materials Research Laboratory. De to er co-first forfattere af papiret.
Flere oplysninger: Tonghang Han et al., Korrelerede isolatorer og Chern-isolatorer i femlags rhombohedral-stablet grafen, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01520-1
Journaloplysninger: Naturenanoteknologi
Leveret af Materials Research Laboratory, Massachusetts Institute of Technology
Varme artikler
-
Specialiserede usynlige nåle får os til at se overflader på nanoskalaVi forventer, at vores elektroniske enheder, såsom mobiltelefoner og computere, at arbejde ordentligt og blive endnu bedre med tiden og sjældent tænke på de fantastiske innovationer, der gør dette mul -
Røntgenundersøgelse afslører, hvordan blysulfidpartikler selvorganiserer sig i realtidBlysulfid-nanopartiklerne, som er omkring otte nanometer (milliontedele af en millimeter) i størrelse, indledningsvis arrangere sig selv i et lag med sekskantet symmetri. Kredit:Universitetet i Hambor -
Græsstrå inspirerer til fremskridt inden for organiske solcellerLodrette nanopiller er ideelle geometrier til at omgå udfordringerne med at producere polymerarkitektur for at øge effektkonverteringseffektiviteten af lys til elektricitet til at drive elektroniske -
En nyskabelse af grafen, der er musik i dine ørerLydbølger illustration. Kredit:Mary Theresa McLean/Pixabay Lidt over 15 år siden et par forskere i Storbritannien brugte klæbende tape til at isolere enkelte atomlag af kulstof, kendt som grafen,
- Afrikanske forskere gør fremskridt med at få truffet beslutninger baseret på beviser
- Amazon affyrer et vendepunkt:chef for skovbrugsgruppen
- Forskere tilbyder teoretisk beskrivelse af topologiske vandbølgestrukturer
- Ny proces til fremstilling af højspændingskatoder til lithium-ion-batterier
- Bestemmelse af erosionshastigheder via maling
- Tsunami af stjerner og gas producerer blændende øjenformet træk i galaksen