Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nden fizikçiler kalemi elektronik “altın”a dönüştürüyor.

Üç önemli özelliği sergileyecek şekilde ayarlanabilen ince folyo izolasyon.

Massachusetts Teknoloji Enstitüsü Fizikçiler, belirli bir düzende istiflenmiş beş ultra ince pulu izole ederek grafiti veya kurşun kalemi mecazi olarak altına dönüştürdüler. Ortaya çıkan malzeme daha sonra doğal grafitte daha önce hiç görülmemiş üç önemli özelliği sergileyecek şekilde ayarlanabiliyor.

MIT Fizik Bölümü’nde yardımcı doçent ve derginin 5 Ekim sayısında yayınlanan araştırmanın lideri Long Guo, “Bu, tek elden alışveriş gibi” diyor. Doğa nanoteknolojisi. “Doğanın pek çok sürprizi var. Bu durumda tüm bu ilginç şeylerin grafit içinde olduğunu hiç fark etmedik.”

Üstelik “bu kadar çok özelliği bünyesinde barındırabilecek malzeme bulmak çok nadirdir” diyor.

“Twistronics”in yükselişi

Grafitten yapılmıştır GrafenBal peteği yapısına benzeyen altıgen şekillerde düzenlenmiş tek bir karbon atomu katmanıdır. Grafen ise yaklaşık 20 yıl önce ilk kez izole edildiğinden beri yoğun araştırmaların odak noktası oldu. Yaklaşık beş yıl önce, aralarında MIT’den bir ekibin de bulunduğu araştırmacılar, ayrı ayrı grafen tabakalarının istiflenmesinin ve bunları birbirine hafif bir açıyla bükmenin, malzemeye süperiletkenlikten manyetizmaya kadar yeni özellikler kazandırabileceğini keşfetti. “Twistronics” alanı doğdu.

Aynı zamanda Malzeme Araştırma Laboratuvarı’na bağlı olan Gu, mevcut çalışmada “hiçbir bükülme olmadan ilginç özellikler keşfettik” diyor.

Özel bir grafit türünde (kalem) ortaya çıkabilen, elektron bağlanmasının veya elektronların birbirleriyle konuşma yeteneğinin sanatsal bir gösterimi. Görüntü kaynağı: Sampson Wilcox, MIT Elektronik Araştırma Laboratuvarı

Kendisi ve meslektaşları, belirli bir sıraya göre düzenlenmiş beş grafen katmanının, malzeme içinde hareket eden elektronların birbirleriyle konuşmasına izin verdiğini keşfetti. Joe, elektron korelasyonu olarak bilinen bu fenomenin “tüm bu yeni özellikleri mümkün kılan sihir” olduğunu söylüyor.

Toplu grafit ve hatta tekil grafen tabakaları iyi elektrik iletkenleridir, ancak hepsi bu kadar. Gu ve meslektaşları tarafından izole edilen ve beş katmanlı yığılmış grafen adını verdikleri malzeme, parçalarının toplamından çok daha büyük hale geliyor.

Yeni mikroskop ve keşifleri

Maddeyi izole etmenin anahtarı A’ydı Yeni mikroskop 2021’de MIT’den Joe, maddenin çeşitli önemli özelliklerini hızlı ve nispeten ucuz bir şekilde belirleyebilecek. Nano ölçek. Beş yüzlü katmana sahip istiflenmiş grafen, metrenin yalnızca birkaç milyarda biri kalınlığındadır.

Gu’nun da aralarında bulunduğu bilim insanları, eşkenar dörtgen istifleme olarak bilinen çok hassas bir düzenlemeyle istiflenmiş çok katmanlı grafen arıyorlardı. Joe şöyle diyor: “Beş katmana indiğinizde 10’dan fazla olası istifleme sırası vardır. Eşkenar dörtgen bunlardan sadece bir tanesidir.” Joe’nun yaptığı, Saçılım tipi Taramalı Yakın Alan Optik Mikroskobu veya s-SNOM olarak bilinen mikroskop, bilim adamlarının yalnızca beş katmanı tanımlamasına ve izole etmesine izin verdi. Eşkenar dörtgen istifleme sırasıyla ilgilendiler.

Çok yönlü fiziksel olaylar

Ekip buradan, istiflenmiş pentahedral grafenin ince “etini” koruyan bor nitrür “ekmeğinden” oluşan küçük bir sandviçe elektrotlar bağladı. Elektrotlar, sistemi farklı voltajlara veya farklı miktarlara ayarlamalarına olanak sağladı. Sonuç: Sisteme akın eden elektron sayısına bağlı olarak üç farklı olgunun ortaya çıktığını keşfettiler.

MIT doktora sonrası araştırmacısı Zhengguang Lu, yardımcı doçent Long Ju ve yüksek lisans öğrencisi Tonghang Han laboratuvarda. Üçü, diğer yedi kişiyle birlikte Nature Nanoteknoloji dergisinde özel bir grafit türü (kalem ucu) hakkında bir makalenin yazarlarıdır. Kredi bilgileri: GoLab

Gu, “Maddenin yalıtkan, manyetik veya topolojik olabileceğini bulduk” diyor. İkincisi bir dereceye kadar hem iletkenler hem de yalıtkanlarla ilgilidir. Joe, topolojik bir malzemenin, elektronların malzemenin kenarları etrafında engelsiz hareketine izin verdiğini, ancak ortasından geçmediğini açıklıyor. Elektronlar, malzemenin merkezini oluşturan bir ortamla ayrılan malzemenin kenarındaki bir “otoyol” boyunca tek yönde hareket eder. Yani topolojik bir malzemenin kenarı mükemmel bir iletken iken merkezi bir yalıtkandır.

Guo ve ortak yazarları şu sonuca varıyor: “Çalışmamız, topolojik ve güçlü bir şekilde bağlanmış fizik için bu yeni olasılıkları incelemek için eşkenar dörtgen istiflenmiş çok katmanlı grafeni oldukça ayarlanabilir bir platform olarak kuruyor.” Doğa nanoteknolojisi.

Referans: Tonghang Han, Zhenguang Lu, Giovanni Scurri, Jihu Song, Gui Wang, Tian Yi Han, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Hongkun Park ve Long Ju, “Beş katmanlı istiflenmiş grafende tutarlı dielektrik ve Chern izolatörleri”, 5 Ekim 2023, Doğa nanoteknolojisi.
doi: 10.1038/s41565-023-01520-1

Makalenin yazarları Gu’nun yanı sıra Tonghang Han ve Zhenguang Lu’dur. Han, Fizik Bölümünde yüksek lisans öğrencisidir. Lu, Malzeme Araştırma Laboratuvarı’nda doktora sonrası araştırmacıdır. Makalenin ilk yazarları onlar.

Diğer yazarlar arasında Harvard Üniversitesi’nden Giovanni Scurri, Jiho Song, Joy Wang ve Hongkun Park; Japonya Ulusal Malzeme Bilimi Enstitüsü’nden Kenji Watanabe ve Takashi Taniguchi ve Massachusetts Fizik Teknoloji Enstitüsü’nden Tianyi Han.

Bu çalışma Sloan Bursu tarafından desteklenmiştir; ABD Ulusal Bilim Vakfı; Araştırma ve Mühendislikten Sorumlu Savunma Müsteşarlığı Ofisi; Japonya Bilimi Teşvik Derneği KAKENHI; Japonya’da dünyanın önde gelen uluslararası araştırma girişimi; ve ABD Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Ofisi.