Nová flexibilná platforma by mohla vytvárať záhadné materiály a viesť k novým štúdiám zvláštnych javov.

Vo výskume, ktorý môže vyvolať záujem o záhadnú triedu materiálov známych ako kvázikryštály, Massachusettský Inštitút Technológie Vedci a kolegovia objavili relatívne jednoduchý a flexibilný spôsob, ako vytvoriť nové, atómovo tenké verzie, ktoré možno vyladiť tak, aby vyhovovali fenoménom záujmu. V práci uvádzanej v najnovšom čísle časopisu prírodyopisujú, že robia práve to, aby materiál vykazoval supravodivosť a ďalšie.

Výskum poskytuje novú platformu nielen na to, aby sme sa dozvedeli viac o kvázikryštáloch, ale aj na skúmanie exotických javov, ktoré môže byť ťažké študovať, ale môžu viesť k dôležitým aplikáciám a novej fyzike. Napríklad lepšie pochopenie supravodivosti, kde elektróny prechádzajú materiálom bez odporu, by mohlo umožniť efektívnejšie elektronické zariadenia.

Obrázok moaré kvázikryštálu (stredný stĺpec) vytvoreného tromi prekrývajúcimi sa plátmi atómovo tenkého grafénu. Kredit: Sergio C. De la Barrera/Univerzita v Toronte

Twistronika a jej asociácia s kvázikryštálmi

Táto práca spája dve predtým neprepojené oblasti: kvázikryštály a krútenú elektroniku. Posledne menovaný je špecialitou Pabla Jarilla Herrera, profesora fyziky Cecila a Idy Greenových na MIT a zodpovedajúceho autora novej knihy. prírody Prielom grafénu v „magickom uhle“ v roku 2018 katapultoval toto pole.

„Je skutočne výnimočné, že oblasť chirálnej elektroniky naďalej vytvára nečakané spojenia s inými oblasťami fyziky a chémie, v tomto prípade s krásnym a zvláštnym svetom kvázeriodických kryštálov,“ hovorí Jarillo-Herrero, ktorý je tiež členom MIT Materials Research. Laboratórium a MIT.“ Výskumné laboratórium MIT pre elektroniku.

Pozoruhodný vývoj v Twitronics

Technológia Twistronics zahŕňa tenké vrstvy materiálov vrstvené jedna na druhej. Otočenie alebo krútenie jednej alebo viacerých vrstiev pod miernym uhlom vytvára jedinečný vzor nazývaný super moaré sieťovina. Vzor moaré má zase vplyv na správanie elektrónov. Sergio C hovorí: „Mení to spektrum energetických hladín dostupných pre elektróny a môže poskytnúť podmienky pre vznik zaujímavých javov,“ povedal de la Barrera, jeden zo štyroch spoluautorov nedávnej štúdie. De la Barrera, ktorý túto prácu viedol ako postdoktorand na MIT, je teraz odborným asistentom na University of Toronto.

Aviram Uri (vľavo) a Sergio C. De la Barrera sú súčasťou tímu, ktorý extrahoval supravodivosť z nejasnej triedy materiálov známych ako kvázikryštály. Uri je Pappalardo a postdoktorandský výskumník v oblasti DPH na MIT; De la Barrera je odborným asistentom na univerzite v Toronte. Poďakovanie: Eva Cheung / University of Toronto

Systém moaré môže byť tiež navrhnutý pre rôzne správanie zmenou počtu elektrónov pridaných do systému. Výsledkom je, že oblasť chirálnej elektroniky zaznamenala za posledných päť rokov obrovský rozvoj, pričom výskumníci z celého sveta ju aplikovali na vytvorenie nových atómovo tenkých kvantových materiálov. Príklady zo samotného MIT zahŕňajú:

• Konverzia materiálu moaré známeho ako dvojvrstva s magickým uhlom Grafén do troch rôznych a užitočných elektronických zariadení. (Medzi vedcami zapojenými do tejto práce, ohlásenej v roku 2021, bol Daniel Rodin-Legren, spoluprvý autor súčasnej práce a postdoktorandský výskumník MIT vo fyzike. Viedol ich Jarilo Herrero.)
• Projektovanie novej nehnuteľnosti, fotovoltaiky, do známej rodiny Polovodiče. (Vedci zapojení do tejto práce, Nahlásené v roku 2021ktorú vedie Jarillo Herrero.)
• Predpovedanie nových a zvláštnych magnetických javov spolu s „receptom“ na ich dosiahnutie. (Vedci zapojení do tejto práce, Nahlásené v roku 2023, medzi ktorými bol profesor fyziky z MIT Liang Fu a Nisarja Paul, absolventka fyziky na MIT. Fu aj Paul sú spoluautormi tohto článku.)

Odhalenie kvázikryštálov

V súčasnej práci sa výskumníci zaoberali systémom moaré vyrobeným z troch listov grafénu. Grafén pozostáva z jednej vrstvy atómov uhlíka usporiadaných do šesťuholníkových tvarov pripomínajúcich štruktúru včelieho plástu. V tomto prípade tím navrstvil tri vrstvy grafénu na seba, ale dve z listov skrútil v mierne odlišných uhloch.

Na ich prekvapenie systém vytvoril niečo, čo vyzeralo ako kryštál, nezvyčajnú triedu materiálu, ktorý bol objavený v 80. rokoch. Ako už názov napovedá, kvázikryštály spadajú niekde medzi kryštál, ako je diamant, ktorý má pravidelnú opakujúcu sa štruktúru, a amorfný materiál, ako je sklo, „kde sú všetky atómy zmiešané alebo náhodne usporiadané,“ hovorí de la. Barrera. Stručne povedané, de la Barrera hovorí, že kvázikryštály „majú skutočne zvláštne vzory“ (pozri niekoľko príkladov tu).

V porovnaní s kryštálmi a amorfnými materiálmi sa však o kvázikryštáloch vie pomerne málo. Je to čiastočne preto, že je ťažké ich vyrobiť. „To neznamená, že nie je zaujímavý, znamená to, že sme mu nevenovali veľkú pozornosť, najmä jeho elektronickým vlastnostiam,“ hovorí de la Barrera.Nová, relatívne jednoduchá platforma by to mohla zmeniť.

Viac prehľadov a spolupráce

Keďže pôvodní výskumníci neboli odborníkmi na kvázikryštály, oslovili jednu osobu: profesora Rona Lifshitza z Tel Avivskej univerzity. Aviram Uri, jeden z prvých autorov článku a postdoktorand Pappalardo a Vatat na MIT, bol študentom Lifshitza počas jeho bakalárskeho štúdia v Tel Avive a vedel o jeho práci o kvázikryštáloch. Lifshitz, ktorý je tiež autorom prírody Papier pomohol tímu lepšie pochopiť, na čo sa pozerali, čo nazývajú kvázikryštalické moaré.

Fyzici následne doladili moaré kvázikryštál tak, aby bol supravodivý alebo viedol prúd bez akéhokoľvek odporu pod určitou nízkou teplotou. Je to dôležité, pretože supravodivé zariadenia môžu prenášať prúd cez elektronické zariadenia oveľa efektívnejšie, ako je to možné dnes, ale tento jav stále nie je vo všetkých prípadoch úplne pochopený. Nový vlnitý kvázikryštalický systém poskytuje nový spôsob jeho štúdia.

Tím tiež našiel dôkazy o porušení symetrie, čo je ďalší fenomén, ktorý „nám hovorí, že elektróny medzi sebou veľmi silne interagujú“. „Ako kvantoví fyzici a vedci v oblasti materiálov chceme, aby naše elektróny vzájomne interagovali, pretože tam dochádza k exotickej fyzike,“ hovorí de la Barrera.

Nakoniec, „prostredníctvom diskusií naprieč kontinentmi sme dokázali túto vec rozlúštiť a teraz si myslíme, že máme dobrú kontrolu nad tým, čo sa deje,“ hovorí Urey, hoci poukazuje na to, že „ešte úplne nerozumieme systému .“ . Stále je tu dosť záhad.“

Najlepšia časť výskumu, hovorí de la Barrera, bolo „vyriešenie hádanky toho, čo sme vlastne vytvorili“. „Čakali sme [something else]Bolo to teda veľmi príjemné prekvapenie, keď sme si uvedomili, že sa vlastne pozeráme na niečo veľmi nové a iné.

„Pre mňa je to rovnaká odpoveď,“ hovorí Urey.

Odkaz: „Supravodivosť a silné interakcie v laditeľnom moaré kvázikryštále“ od Avirama Uriho, Sergia C. de la Barrera a Malika T. Randrea, Daniel Rodin-Legren, Trip Devakul, Philip J.D. Crowley, Nisarja Paul, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Ron Lifshitz, Liang Fu, Raymond C. Ashuri, Pablo Jarillo Herrero, 19. júla 2023, prírody.
doi: 10.1038/s41586-023-06294-z

Ďalší autori pre prírody Tento článok je od profesora fyziky MIT Raymonda C. Ashouriho; Malika T. Randrea, výskumníčka z MIT Lincoln Laboratory, ktorá viedla prácu ako Pappalardo Fellow na MIT a je spoluprvým autorom tohto článku; Trithip Devakul, odborný asistent na Stanfordskej univerzite, ktorý viedol prácu ako postdoktorandský výskumník na MIT; Philip J.D. Crowley, postdoktorandský výskumník na Harvardskej univerzite; a Kenji Watanabe a Takashi Taniguchi z Národného inštitútu pre materiálové vedy v Japonsku.

Táto práca bola financovaná Úradom pre výskum armády USA, Národnou vedeckou nadáciou USA, Nadáciou Gordona a Betty Mooreovcov, štipendiom MIT Pappalardo, štipendiom VATAT Distinguished Postdoctoral Fellowship in Quantum Science and Technology, JSPS KAKENHI a Israel Science Foundation.