Физики из Массачусетского технологического института превратили карандаш в электронное «золото».

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) обнаружили уникальные свойства графита, уложив пять слоев графена в точном порядке. Этот пятислойный графен может проявлять изоляционные, магнитные или топологические свойства, что представляет собой важное открытие в физике материалов с использованием инновационных методов наномасштабной микроскопии.

Тонкая изоляция из фольги, которую можно настроить для проявления трех важных свойств.

Массачусетский Институт Технологий Физики образно превратили графит или карандаш в золото, изолировав пять ультратонких чешуек, сложенных в определенном порядке. Полученный материал затем можно настроить так, чтобы он проявлял три важных свойства, никогда ранее не встречавшихся в природном графите.

«Это как покупка в одном месте», — говорит Лун Го, доцент кафедры физики Массачусетского технологического института и руководитель исследования, опубликованного в номере журнала от 5 октября. Природные нанотехнологии. «Природа преподносит много сюрпризов. При этом мы так и не поняли, что все эти интересные вещи заключены в графите.

Более того, «очень редко можно найти материалы, которые могут обладать таким количеством свойств», — говорит он.

Расцвет «Твистроникс»

Графит состоит из ГрафенЭто один слой атомов углерода, расположенных в шестиугольной форме, напоминающей сотовую структуру. Графен, в свою очередь, находился в центре интенсивных исследований с момента его первого выделения около 20 лет назад. Около пяти лет назад исследователи, в том числе команда из Массачусетского технологического института, обнаружили, что укладка отдельных листов графена и скручивание их под небольшим углом друг к другу может придать материалу новые свойства — от сверхпроводимости до магнетизма. Зародилась область «твистроникс».

В текущей работе «мы обнаружили интересные свойства вообще без каких-либо искажений», — говорит Гу, который также является сотрудником Лаборатории исследования материалов.

Художественная демонстрация связывания электронов или способности электронов общаться друг с другом, что может происходить в графите особого типа (карандаше). Источник изображения: Сэмпсон Уилкокс, Исследовательская лаборатория электроники Массачусетского технологического института.

Он и его коллеги обнаружили, что пять слоев графена, расположенные в определенном порядке, позволяют электронам, движущимся внутри материала, общаться друг с другом. Это явление, известное как электронная корреляция, «является магией, которая делает возможными все эти новые свойства», — говорит Джо.

Массивный графит и даже отдельные листы графена являются хорошими электрическими проводниками, но это все. Материал, выделенный Гу и его коллегами, который они называют пятислойным многослойным графеном, становится намного больше, чем сумма его частей.

Новый микроскоп и его открытия

Ключом к выделению материи был А Новый микроскоп Джо из Массачусетского технологического института в 2021 году сможет быстро и относительно недорого определить множество важных свойств материи. Нано масштаб. Толщина сложенного графена с пентаэдрическим слоем составляет всего несколько миллиардных долей метра.

Ученые, в том числе Гу, искали многослойный графен, уложенный в очень точном порядке, известном как ромбическая укладка. «Существует более 10 возможных порядков укладки, когда вы переходите к пяти слоям, — говорит Джо. — Ромбоэдрический — лишь один из них». позволило ученым идентифицировать и изолировать только пять слоев. Их интересовал ромбический порядок укладки.

Многогранные физические явления

Оттуда команда прикрепила электроды к небольшому сэндвичу, состоящему из «хлеба» нитрида бора, который защищает тонкое «мясо» сложенного стопкой пентаэдрического графена. Электроды позволили им настроить систему на разные напряжения или разные величины. Результат: они обнаружили, что в зависимости от количества электронов, заполняющих систему, возникают три различных явления.

В лаборатории находятся научный сотрудник Массачусетского технологического института Чжэнгуан Лу, доцент Лун Цзюй и аспирант Тонхан Хань. Все трое являются авторами статьи в журнале Nature Nanotechnology об особом типе графита (грифель карандаша), а также семи других. 1 кредит

«Мы обнаружили, что материя может быть изолирующей, магнитной или топологической», — говорит Гу. Последнее в некоторой степени относится как к проводникам, так и к изоляторам. Джо объясняет, что топологический материал допускает беспрепятственное движение электронов по краям материала, но не через середину. Электроны движутся в одном направлении по «шоссе» на краю материала, разделенном средой, образующей центр материала. Таким образом, край топологического материала является идеальным проводником, а центр — изолятором.

«Наша работа превращает многослойный ромбический графен в легко настраиваемую платформу для изучения этих новых возможностей топологической физики и физики сильных связей», — заключают Го и его соавторы в работе. Природные нанотехнологии.

Ссылка: «Когерентный диэлектрик и изоляторы Черна в пятислойном многослойном графене», авторы Тонхан Хан, Чжэнгуан Лу, Джованни Скурри, Цзиху Сонг, Гуй Ван, Тянь И Хань, Кэндзи Ватанабэ, Такаши Танигучи, Хонгкун Пак и Лонг Джу, 5 октября 2023, Природные нанотехнологии.
дои: 10.1038/s41565-023-01520-1

Помимо Гу, авторами статьи являются Тунхан Хан и Чжэньгуан Лу. Хан учится на факультете физики. Лу — научный сотрудник Лаборатории исследования материалов. Они являются первыми авторами статьи.

Другими авторами являются Джованни Скарри, Джихо Сонг, Джой Ван и Хункун Парк из Гарвардского университета; Кендзи Ватанабэ и Такаши Танигучи из Национального института материаловедения Японии и Тяньи Хан из Массачусетского технологического института физики.

Эта работа была поддержана стипендией Слоана; Национальный научный фонд США; Канцелярия заместителя министра обороны по исследованиям и разработкам; Японское общество содействия науке КАКЕНХИ; Ведущая в мире международная исследовательская инициатива в Японии; и Управление научных исследований ВВС США.