Ein Moiré-Muster in der twisted-bilayer graphene.Bild: NIST
Noch vor einem Jahr Wissenschaftler präsentierten Ergebnisse, die schien fast zu gut um wahr zu sein: Carbon Blätter nur ein einziges atom dick Graphen genannt, nahm auf ein paar wichtige physikalische Eigenschaften, wenn Sie waren verdreht nur die richtigen “magischen” Winkel zueinander. Wenn die Atmosphäre in diesem Monat auf der weltweit größten Physik-Konferenz war jede Angabe, twisted Graphen hat jetzt brachte ein völlig neues Feld der Physik.
Trotz der eisigen Boston Temperaturen und eine spät-winter-Schneesturm, Physiker schwärmten Zimmer im März bei einer Tagung der amerikanischen Physikalischen Gesellschaft, viele stehen draußen in den Flur Blick in der Hoffnung zu hören, die neuesten Ergebnisse über das magic-angle-Graphen. Das Ergebnis gezogen hat Interesse von Physikern rund um die Welt, die Hoffnung zu verstehen, die seltsame Phänomene fest in der carbon-Blätter.
“Felder, die waren relativ angeschlossen, bevor nun trat das Studium dieses eine Art von material,” Pablo Jarillo-Herrero, MIT-professor für Physik und leitender Prüfarzt hinter dem des letzten Jahres twisted Graphen Papiere, sagte Gizmodo. “Es hat eine enorme Menge von spannenden Interaktionen.”
Zurück im Jahr 2004, die Wissenschaftler Andre Geim und Konstantin Novoselov erstmals isoliert Graphen, die durch das schälen der Einzel-atom-Schichten aus Graphit (auch bekannt als die Bleistift-Führung) mit dem Klebeband, die Schaffung eines zwei-dimensionalen Materials. Seitdem Graphen ist bekannt für seine Flexibilität, die Leitfähigkeit und die Fähigkeit zum speichern von Strom.
Im letzten Jahr konnte ein team von Physikern unter der Leitung von Diplom-Studenten Yuan Cao eine Entdeckung gemacht, als in der Nähe schockierend, wie die Wissenschaft erhalten können. Sie gestapelt ein paar von Graphen-Blätter übereinander, gekühlt wird das system bis nahe dem absoluten Nullpunkt, und verdreht einem der Blätter, die an einen 1.1-Grad-Winkel relativ zu den anderen. Sie hat eine Spannung, und das system wurde zu einer Art Isolator, so dass die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen zu verhindern, dass sich Elektronen bewegen. Wenn Sie nun mehr Elektronen das system wurde ein Supraleiter, eine Art von system, in dem die elektrische Ladung kann sich bewegen, ohne Widerstand.
“Es war unglaublich”, Jarillo-Herrero sagte Gizmodo. “Wir dachten, es war zu schön, um wahr zu sein… Wir waren so zweifelhaft, auf den ersten, die wir fragten uns, ob wir sollten mehr Zeit damit verbringen, aber als wir sahen, die Ergebnisse, waren wir hin und Weg.”
Wussten Sie, dass Ihr Ergebnis wäre wichtig, und versuchte zu tun, als viele versuche, so schnell wie Sie könnten, präsentieren rock-festen Beweis von, was Sie gefunden hatte. “Wir waren sehr besorgt, dass wir bekommen würden geschöpft,” Jarillo-Herrero sagte. “Aber wenn Sie ankündigen, etwas wichtiges, und eine Menge Leute sind aufmerksam, Sie besser sicher sein, dass die Grundlagen richtig sind.”
Diese magic-angle-Effekte beziehen sich auf die Moiré-Muster, die sich in der verdrehten Blätter. Beim stapeln von zwei sechseckigen Platten auf der jeweils anderen, größeren sechseckigen Muster zu bilden beginnen. Diese größeren Sechsecke werden die einzelnen Einheiten, sondern als die kleinen Sechsecke gezeichnet von der Kohlenstoff-Atome.
Die Ergebnisse haben sich seitdem repliziert wurden durch mehrere teams, und ein Jahr nach der Entdeckung, Physiker sind auf der recherche des Materials, das in Scharen. Obwohl Theoretiker als Erster vorausgesagt, dass neue physikalische Effekte manifestieren würde in dieser verdrehten geschichteten Graphen-Systemen vor fast einem Jahrzehnt, über hundert neue Theorie Papiere erschienen auf dem arXiv preprint-server im vergangenen Jahr, unter Berufung auf die MIT-team Papieren. Es gibt noch viel, dass die Physiker nicht verstehen, über den Ursprung der Supraleitung und die Art der Isolier-Staaten.
Aber warum hat dieses system genommen? Jarillo-Herrero erklärte, dass es kombiniert bereits florierenden Bereichen der Physik, einschließlich solcher, die Untersuchung von Graphen und anderen zweidimensionalen Materialien, topologische Eigenschaften (Merkmale, die sich nicht ändern, trotz einer gewissen physischen Transformationen), super-kalte Angelegenheit, und ungewöhnliche elektronische Verhaltensweisen, die aus der Art, wie die Elektronen verteilt sind bestimmte Materialien.
Auf top von, dass, gestapelten Graphen-Blätter sind kontrollierbar und zugänglich in einer Weise, dass andere Materialien nicht, gegeben, dass Sie relativ einfach zu produzieren. Und die Möglichkeit zum Umschalten zwischen verschiedenen Effekte mit nur einer Drehung, einer Spannung, und einige Elektronen ermöglicht ein höheres Maß an Kontrolle als andere Materialien. Forscher weiterhin diese Plattform nutzen, um mehr zu entdecken seltsame Eigenschaften des Materials.
Die Forschung hat gesehen einen Zustrom von Doktoranden und post-docs nach einem Feld suchen, wo Sie etwas bewirken. “In der Lage sein, zu etwas beizutragen, diese spannende und sehen diese interessante neue Sachen, die wirklich Spaß”, so Aaron Sharpe, Ph. D.-Studentin in angewandter Physik an der Stanford University, sagte Gizmodo. Sharpe ‘ s team hat vor kurzem Ihre eigenen Messungen der Materialeigenschaften der APS March meeting.
Das Feld zog auch erfahrene Experten; ich saß auf einem Vortrag von dem berühmten Harvard-Graphen-Wissenschaftler Philip Kim auf die Charakterisierung der verdrehte Blätter mit verschiedenen wissenschaftlichen Instrumente. Andere Forscher Stand auf Zehenspitzen im Flur zu hören, was er zu sagen hatte.
Sogar als Physiker sind Summen mit Aufregung, es wird wahrscheinlich Jahrzehnte dauern, bis Sie sehen, twisted-bilayer graphene in Ihrem smartphone oder jedem consumer-Gerät, obwohl offensichtlich, ist schwer vorherzusagen. Forscher haben festgestellt, dass viele Graphen auf dem Markt heute, ist eigentlich nur teuer Bleistift führen. Die zweidimensionalen Blätter sind schwierig, mit zu arbeiten: Sie muss abgehalten werden, bei 1,7 Grad über dem absoluten Nullpunkt, und die Blätter lieber nicht abgehalten 1.1-Grad-Winkel (ähnlich wie zwei bar-Magneten würde es vorziehen, nicht zu haben, Ihre Nord-Pole berühren). Es ist verständlicherweise schwer zu manipulieren, ein material, dass nur noch ein atom dick.
Begeisterung für bilayer Graphen ergibt sich aus der Physik, die dahinter steht, nicht das Versprechen, es wird nützlich sein, in tech wie von Quanten-Computern oder Solarzellen. Aber das Feld wird wahrscheinlich nicht bald sterben. Jarillo-Herrero, sagte: “Diese Art von Bereich ‘twistronics’ ist etwas, das mit großem Potenzial in Bezug auf die wissenschaftliche Entdeckung und intellektuelles Interesse.”
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