Izolácia z tenkej fólie, ktorá sa dá vyladiť tak, aby vykazovala tri dôležité vlastnosti.

Massachusettský Inštitút Technológie Fyzici obrazne premenili grafit alebo ceruzku na zlato izoláciou piatich ultrajemných vločiek naskladaných v špecifickom usporiadaní. Výsledný materiál môže byť následne vyladený tak, aby vykazoval tri dôležité vlastnosti, ktoré sa u prírodného grafitu nikdy predtým nevideli.

„Je to ako nákup na jednom mieste,“ hovorí Long Guo, odborný asistent na katedre fyziky MIT a vedúci výskumu publikovaného v časopise z 5. októbra. Prírodná nanotechnológia. „Príroda má veľa prekvapení. V tomto prípade sme si nikdy neuvedomili, že všetky tieto zaujímavé veci sú v grafite.“

Okrem toho, „je veľmi zriedkavé nájsť materiály, ktoré môžu hostiť toľko vlastností,“ hovorí.

Vzostup „Twistronics“

Grafit je vyrobený z GrafénIde o jednu vrstvu uhlíkových atómov usporiadaných do šesťuholníkových tvarov pripomínajúcich štruktúru včelieho plástu. Grafén je zase stredobodom intenzívneho výskumu, odkedy bol prvýkrát izolovaný asi pred 20 rokmi. Asi pred piatimi rokmi výskumníci, vrátane tímu z MIT, zistili, že stohovanie jednotlivých listov grafénu a ich krútenie pod miernym uhlom k sebe môže materiálu dodať nové vlastnosti, od supravodivosti po magnetizmus. Zrodil sa odbor „twistronika“.

V súčasnej práci sme „objavili zaujímavé vlastnosti bez akéhokoľvek krútenia,“ hovorí Gu, ktorý je tiež pridružený k Laboratóriu výskumu materiálov.

Umelecká ukážka elektrónovej väzby, alebo schopnosti elektrónov sa medzi sebou rozprávať, ktorá sa môže vyskytovať v špeciálnom type grafitu (ceruzka). Zdroj obrázkov: Sampson Wilcox, MIT Electronics Research Laboratory

On a jeho kolegovia zistili, že päť vrstiev grafénu usporiadaných v špecifickom poradí umožňuje elektrónom pohybujúcim sa v materiáli, aby spolu hovorili. Tento jav, známy ako elektrónová korelácia, „je kúzlo, ktoré umožňuje všetky tieto nové vlastnosti,“ hovorí Joe.

Hromadný grafit – a dokonca aj jednotlivé grafénové listy – sú dobrými elektrickými vodičmi, ale to je tak všetko. Materiál izolovaný Guom a jeho kolegami, ktorý nazývajú päťvrstvový vrstvený grafén, je oveľa väčší ako súčet jeho častí.

Nový mikroskop a jeho objavy

Kľúčom k izolácii hmoty bol A Nový mikroskop Joe na MIT v roku 2021 dokáže rýchlo a relatívne lacno určiť rôzne dôležité vlastnosti hmoty. Nano mierka. Naskladaný grafén s pentaedrickou vrstvou má hrúbku len niekoľko miliardtín metra.

Vedci vrátane Gu hľadali viacvrstvový grafén, ktorý bol naskladaný vo veľmi presnom usporiadaní, známom ako kosoštvorcové stohovanie. „Keď prejdete na päť vrstiev, existuje viac ako 10 možných usporiadaní skladania,“ hovorí Joe. „Rhomboedral je len jednou z nich.“ Mikroskop, ktorý vyrobil Joe, známy ako rozptylová skenovacia blízkopoľná optická mikroskopia alebo s-SNOM, umožnilo vedcom identifikovať a izolovať iba päť vrstiev. V kosoštvorcovom poradí ich zaujímali.

Mnohostranné fyzikálne javy

Odtiaľ tím pripojil elektródy k malému sendviču vyrobenému z „chliba“ nitridu bóru, ktorý chráni tenké „mäso“ naskladaného pentaedrického grafénu. Elektródy im umožnili naladiť systém na rôzne napätia alebo rôzne množstvá. Výsledok: Zistili, že sa objavujú tri rôzne javy v závislosti od počtu elektrónov zaplavujúcich systém.

Postdoktorand MIT Zhengguang Lu, odborný asistent Long Ju a postgraduálny študent Tonghang Han sú v laboratóriu. Títo traja sú spolu so siedmimi autormi článku v časopise Nature Nanotechnology o špeciálnom type grafitu (olova v ceruzke). Kredit: GoLab

„Zistili sme, že hmota môže byť izolačná, magnetická alebo topologická,“ hovorí Gu. Ten sa do určitej miery týka vodičov aj izolátorov. Joe vysvetľuje, že topologický materiál umožňuje neobmedzený pohyb elektrónov okolo okrajov materiálu, ale nie cez stred. Elektróny sa pohybujú jedným smerom pozdĺž „diaľnice“ na okraji materiálu oddeleného médiom, ktoré tvorí stred materiálu. Takže okraj topologického materiálu je dokonalý vodič, zatiaľ čo stred je izolátor.

„Naša práca vytvára kosoštvorcový vrstvený viacvrstvový grafén ako vysoko laditeľnú platformu na štúdium týchto nových možností pre topologickú a silne prepojenú fyziku,“ uzatvárajú Guo a jeho spoluautori Prírodná nanotechnológia.

Odkaz: „Koherentné dielektrické a Chernove izolátory v päťvrstvovom vrstvenom graféne“ od Tonghang Han, Zhenguang Lu, Giovanni Scurri, Jihu Song, Gui Wang, Tian Yi Han, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Hongkun Park a Long Ju, 5. októbra 2023, Prírodná nanotechnológia.
doi: 10.1038/s41565-023-01520-1

Okrem Gu sú autormi článku Tonghang Han a Zhenguang Lu. Han je postgraduálny študent na katedre fyziky. Lu je postdoktorandom v Laboratóriu pre výskum materiálov. Sú prvými autormi článku.

Ďalšími autormi sú Giovanni Scurri, Jiho Song, Joy Wang a Hongkun Park z Harvardskej univerzity; Kenji Watanabe a Takashi Taniguchi z Národného inštitútu materiálovej vedy v Japonsku a Tianyi Han z Massachusettského technologického inštitútu pre fyziku.

Táto práca bola podporovaná Sloan Fellowship; Americká národná vedecká nadácia; Úrad námestníka ministra obrany pre výskum a inžinierstvo; Japonská spoločnosť na podporu vedy KAKENHI; Popredná svetová medzinárodná výskumná iniciatíva v Japonsku; a Úrad pre vedecký výskum amerického letectva.