Blanding af moiré-overflade og bulktilstande:Indfangning af Hofstadters sommerfugl i et af jordens ældste materialer

Forskere ved National Graphene Institute (NGI) ved University of Manchester har genbesøgt et af de ældste materialer på Jorden – grafit – og opdaget ny fysik, der har unddraget sig området i årtier.

På trods af at det udelukkende er lavet af lag af kulstofatomer arrangeret i et bikagemønster, er naturlig grafit ikke så simpel, som man måske tror. Måden, hvorpå disse atomlag stables oven på hinanden, kan resultere i forskellige typer grafit, kendetegnet ved forskellig stablingsrækkefølge af på hinanden følgende atomplaner.

Størstedelen af ​​naturligt forekommende grafit har sekskantet stabling, hvilket gør det til et af de mest "almindelige" materialer på Jorden. Strukturen af ​​grafitkrystal er et gentaget mønster. Dette mønster bliver forstyrret på overfladen af ​​krystallen og fører til det, der kaldes 'overfladetilstande', som er som bølger, der langsomt forsvinder, når du går dybere ind i krystallen. Men hvordan overfladetilstande kan indstilles i grafit, var endnu ikke godt forstået.

Van der Waals-teknologi og twistronics (stabling af to 2D-krystaller i en snoningsvinkel for i høj grad at justere egenskaberne af den resulterende struktur på grund af moiré-mønster dannet ved deres grænseflade) er de to førende felter inden for 2D-materialeforskning. Holdet af NGI-forskere, ledet af prof. Artem Mishchenko, anvender moiré-mønster til at tune grafittens overfladetilstande, der minder om et kalejdoskop med evigt skiftende billeder, mens man roterer linsen, hvilket afslører den ekstraordinære nye fysik bag grafit.

Prof. Mishchenko udvidede især twistronics-teknikken til tredimensionel grafit og fandt ud af, at moiré-potentialet ikke blot ændrer grafittens overfladetilstande, men også påvirker det elektroniske spektrum af hele hovedparten af ​​grafitkrystal. Ligesom den velkendte historie om Prinsessen og Ærten, mærkede prinsessen ærten gennem de tyve madrasser og de tyve edderdunsenge. I tilfælde af grafit kan moiré-potentialet ved en justeret grænseflade trænge gennem mere end 40 atomare grafitiske lag.

Denne forskning, offentliggjort i det seneste nummer af Nature , undersøgte virkningerne af moiré-mønstre i bulk hexagonal grafit genereret ved krystallografisk justering med hexagonal bornitrid. Det mest fascinerende resultat er observationen af ​​en 2,5-dimensionel blanding af overflade- og bulktilstande i grafit, som manifesterer sig i en ny type fraktal kvante Hall-effekt - en 2,5D Hofstadters sommerfugl.

Prof. Artem Mishchenko ved University of Manchester, som allerede har opdaget den 2,5-dimensionelle kvante Hall-effekt i grafit sagde:"Grafit gav anledning til den berømte grafen, men folk er normalt ikke interesserede i dette 'gamle' materiale. Og nu, selv med vores akkumulerede viden om grafit af forskellige stablings- og justeringsordrer i de seneste år, fandt vi stadig grafit som et meget attraktivt system - så meget endnu at blive udforsket."

Ciaran Mullan, en af ​​de førende forfattere af papiret, tilføjede:"Vores arbejde åbner nye muligheder for at kontrollere elektroniske egenskaber ved hjælp af twistronics ikke kun i 2D, men også i 3D-materialer."

Prof. Vladimir Fal'ko, direktør for National Graphene Institute og teoretisk fysiker ved Institut for Fysik og Astronomi, tilføjede:"Den usædvanlige 2.5D kvante Hall effekt i grafit opstår som samspillet mellem to kvantefysiske lærebogsfænomener - Landau kvantisering i stærke magnetfelter og kvante indespærring, hvilket fører til endnu en ny type kvanteeffekt."

Det samme hold fortsætter nu med grafitforskningen for at få en bedre forståelse af dette overraskende interessante materiale.

Flere oplysninger: Ciaran Mullan et al., Blanding af moiré-overflade- og bulktilstande i grafit, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06264-5

Journaloplysninger: Natur

Leveret af University of Manchester