Een Moiré patroon in twisted bilaag grafeen.Afbeelding: NIST
Net een jaar geleden hebben wetenschappers de resultaten gepresenteerd die leek bijna te mooi om waar te zijn: koolmonoxide, lakens van slechts één atoom dik, heet grafeen, nam op een paar belangrijke fysische eigenschappen wanneer ze werden gedraaid op de “magie” hoek ten opzichte van elkaar. Als de sfeer van deze maand in ‘ s werelds grootste natuurkunde-conferentie is een indicatie, twisted grafeen heeft nu geleid tot een geheel nieuw veld van natuurkundig onderzoek.
Ondanks de koude Boston temperaturen en laat in de winter sneeuwstorm, fysici zwermden kamers in de vergadering van Maart van de American Physical Society, veel staan in de gang te kijken in de hoop te horen van de laatste resultaten over deze magische hoek grafeen. Het resultaat is getrokken belang van natuurkundigen over de hele wereld die hoop om te begrijpen van de vreemde verschijnselen opgesloten in de carbon bladen.
“De velden die zijn relatief aangesloten voordat zijn nu aangesloten bij het bestuderen van dit type materiaal,” Pablo Jarillo-Herrero, MIT professor in de natuurkunde en de hoofdonderzoeker achter vorig jaar gedraaid grafeen papieren, vertelde Gizmodo. “Het heeft geleid tot een enorme hoeveelheid spannende interacties.”
Terug in 2004, wetenschappers Andre Geim en Konstantin Novoselov voor het eerst geïsoleerd grafeen met het schillen van de single-atoom lagen uit van grafiet (ook bekend als potlood) met behulp van plakband, het creëren van een twee-dimensionale materiaal. Sindsdien grafeen is bekend geworden om zijn flexibiliteit, geleidbaarheid, en het vermogen om elektriciteit op te slaan.
Vorig jaar heeft een team van fysici geleid door gediplomeerde student Yuan Cao een ontdekking gedaan zoals in de buurt van schokkend als de wetenschap kan krijgen. Ze gestapeld een paar van grafeen vellen op elkaar, gekoelde het systeem naar beneden om in de buurt van het absolute nulpunt, en verdraaid één van de vellen tot een 1.1-graden hoek ten opzichte van de andere. Ze voegde een spanning, en het systeem werd een soort van isolatie zodanig dat de interacties tussen de deeltjes zelf voorkomen dat de elektronen te verplaatsen. Als ze nog meer elektronen, werd het systeem een supergeleider, een soort van systeem in die elektrische lading kan bewegen zonder weerstand.
“Het was geweldig,” Jarillo-Herrero vertelde Gizmodo. “We dachten dat het was te mooi om waar te zijn… We waren zo twijfelachtig is ten eerste dat we ons af of we moeten meer tijd besteden aan het, maar toen we zagen dat de resultaten, werden we weggeblazen.”
Zij wisten dat hun resultaat belangrijk zou zijn, en geprobeerd om zo veel experimenten zo snel als ze konden om te presenteren rock-solid bewijs van wat ze hadden gevonden. “We waren erg bang dat we zouden krijgen schepte,” Jarillo-Herrero zei. “Maar als je kondigen iets belangrijk is en veel mensen aandacht, je er maar beter voor zorgen dat de basis correct zijn.”
Deze magische hoek effecten zijn gerelateerd aan de Moiré-patronen die zich ontwikkelen in de gedraaide platen. Wanneer je stack twee zeshoekige platen op de top van elke andere, grotere hexagonale patronen beginnen te vormen. Deze grotere zeshoeken worden de individuele eenheden, in plaats van de kleine zeshoeken getraceerd door de koolstof atomen.
De resultaten zijn inmiddels gerepliceerd door verschillende teams, en een jaar na de ontdekking, de natuurkundigen zijn het onderzoeken van het materiaal in drommen. Hoewel theoretici eerste voorspeld dat de nieuwe fysieke effecten zou manifesteren in deze twisted lagen grafeen systemen bijna een decennium geleden, meer dan honderd nieuwe theorie papier zijn verschenen op het arXiv preprint server in het afgelopen jaar, onder vermelding van het MIT team ‘ s papieren. Er is nog genoeg dat natuurkundigen niet begrijpen over de oorsprong van de supergeleiding en de aard van de isolerende staten.
Maar waarom heeft dit systeem overgenomen uit? Jarillo-Herrero uitgelegd dat het combineert al-bloeiende velden van de natuurkunde, met inbegrip van die studie grafeen en andere tweedimensionale materialen, topologische eigenschappen (kenmerken die niet veranderen, ondanks bepaalde fysieke transformaties), super-koude materie, en ongewone elektronische gedragingen die voortkomen uit de manier waarop de elektronen zijn verdeeld in bepaalde materialen.
Op de top van dat, gestapeld grafeen vellen zijn controleerbaar en toegankelijk zijn op een manier die andere materialen niet, gezien het feit dat ze relatief eenvoudig te produceren. En de mogelijkheid om te schakelen tussen de verschillende effecten met een twist, een spanning, en een aantal elektronen in staat een hogere mate van controle dan andere materialen. Onderzoekers blijven gebruiken dit platform om meer te ontdekken vreemde eigenschappen van het materiaal.
Het onderzoek is er een instroom van afgestudeerde studenten en post-docs op zoek naar een gebied waar ze kunnen een impact. “Om bij te kunnen dragen aan iets dit spannende en zie dit interessante, nieuwe dingen zijn echt leuk,” Aaron Sharpe, D. Ph. student technische natuurkunde aan de Universiteit van Stanford, vertelde Gizmodo. Sharpe ‘ s team presenteerde onlangs hun eigen metingen van de eigenschappen van het materiaal op de APS March meeting.
Het gebied heeft ook aangetrokken door ervaren experts; ik zat op een lezing door de beroemde Harvard grafeen wetenschapper Philip Kim op het karakteriseren van de gedraaide platen met verschillende wetenschappelijke instrumenten. Andere onderzoekers stond op uw tenen staan in de gang om te horen wat hij te zeggen had.
Zelfs als natuurkundigen zijn opwinding, het zal waarschijnlijk het decennia voordat u zie twisted bilaag grafeen in uw smartphone of consument toestel, maar daar is natuurlijk moeilijk te voorspellen. Onderzoekers hebben gerealiseerd dat veel van het grafeen op de markt van vandaag is eigenlijk gewoon een duur potlood. De twee-dimensionale vellen zijn moeilijk om mee te werken: Ze moet worden gehouden bij 1,7 graden boven het absolute nulpunt, en de lakens niet wenst te worden gehouden op dat 1.1-graden hoek (vergelijkbaar met de werking van twee bar magneten zou liever niet hebben dat hun noordpool raken). Het is begrijpelijkerwijs moeilijk te manipuleren zijn van een materiaal dat slechts één atoom dik.
Spanning en sensatie voor bilaag grafeen komt voort uit de fysica die ten grondslag ligt, niet de belofte dat het bruikbaar worden in tech zoals quantum computers of zonnepanelen. Maar het veld zal waarschijnlijk niet snel sterven. Jarillo-Herrero zei: “Dit soort gebied van ‘twistronics’ is iets wat met een groot potentieel in termen van wetenschappelijke ontdekkingen en intellectuele interesse.”
Deel Dit Verhaal