По-прост подход за създаване на квантови материали


По-прост подход за създаване на квантови материали

Изображение на внимателно проектиран субстрат, който причинява пулсации на депозирания лист от графен. Това изкривяване генерира токове, които се намират само от едната страна на структурата на нанолентата. Кредит: Võ Tiến Phong

Тъй като графенът е изолиран и характеризиран за първи път в началото на 2000-те, изследователите проучват начини за използване на този атомно тънък наноматериал поради неговите уникални свойства като висока якост на опън и проводимост.

През последните години е доказано, че усукан двуслоен графен, направен от два листа графен, усукани до определен „магически“ ъгъл, има свръхпроводимост, което означава, че може да провежда електричество с много малко съпротивление. Въпреки това, използването на този подход за създаване на устройства остава предизвикателство поради ниския добив от производството на усукан двуслоен графен.

Сега ново проучване показва как шаблонните, периодични деформации на един слой графен го превръщат в материал с електронни свойства наблюдавани преди в усукани графенови двойни слоеве. Тази система също така е домакин на допълнителни неочаквани и интересни проводящи състояния на границата. Чрез по-добро разбиране на това как възникват уникални свойства, когато единични листове графен са подложени на периодично напрежение, тази работа има потенциала да създаде квантови устройства като орбитални магнити и свръхпроводници в бъдеще. Проучването, публикувано в Писма за физически прегледбеше проведено от аспирант Вõ Тиен Фонг и професор Юджийн Меле в катедрата по физика и астрономия на Пен в Училището по изкуства и науки.

Една алтернатива на сложния метод на усукани двуслойни слоеве е използването на единични слоеве графен, които се поставят върху внимателно оформен субстрат, известен като “легло от нокти”, който прилага външна сила или напрежение по периодичен начин. За да разберат по-добре квантовите геометрични свойства на тази система, Меле и Фонг се заеха да разберат теорията, лежаща в основата на движението на електроните в тази еднослойна система.

След бягане компютърни симулации на еднослойни експерименти, изследователите бяха изненадани да открият нови доказателства за неочаквани явления по повърхността на материала, но само от едната страна. „По принцип топологията в насипно състояние се свързва със свойствата на повърхността и когато това е така, всички повърхности наследяват свойството“, казва Меле. “Тук фактът, че имаше ръбови режими от едната страна, а не от другата, ми се стори дълбоко необичаен.”

Това откритие беше неочаквано, тъй като в тази система средното псевдомагнитно поле, предизвикано, когато системата е напрегнато, беше нула – положително в една област, но отрицателно в другата, което изследователите предположиха, че ще отмени всякакви уникални явления. „Ако магнитното поле е нула, вероятно няма да получите интересна физика“, казва Фонг. „Напротив, установихме, че въпреки средното магнитно поле е нула, все още ви дава интересна физика на ръба.”

За да обясни този неочакван резултат, Фонг разгледа по-отблизо подобна експериментална система, при която единични листове графен се огъват, за да симулират постоянно вместо периодично напрежение, предизвикано поле. Фонг установи, че тази система има същия топологичен индекс, което означава, че ще се появят и крайни състояния, които процъфтяват само от определена страна на материала. „Физиката тук беше подобна и изглеждаше правилното обяснение за феноменологията, върху която работихме“, казва Фонг.

Като цяло, това проучване прогнозира, че плоските ленти, подобни на тези, открити в усукания двуслоен графен, се създават чрез нанасяне на атомно тънък единичен слой върху субстрат на ноктите, който предизвиква периодично изкривяване на графеновия лист.

Изследователите вече напредват към още по-задълбочено разбиране на тези еднослойни системи. Един от начините за по-нататъшни изследвания включва сътрудничество с асистент Бо Жен за изследване на същото явление с помощта на светлинни вълни. Изследователите също са заинтересовани да видят дали други уникални свойства, които съществуват в усукани двуслоен графен може да се появи и в еднослойни системи.

„Въпреки че физиката е проста, което означава, че можете да накарате системата да се държи така, както искате по по-контролиран начин, феноменологията, която можете да излезете от нея, не е. Много е богата и ние все още разкриваме нови неща докато говорим”, казва Фонг.

И тъй като тези еднослойни системи са по-лесни за работа, това подобрено теоретично разбиране има потенциала да подпомогне бъдещи открития в областта на физиката на крайните състояния, включително възможни нови устройства като ултра-малки, невероятно бързи квантови материали.

„В момента има огромни усилия да се разбере тези изкривени графен двуслойни и мисля, че един интересен въпрос, който забиваме тук, е основните съставки на физическа система, която всъщност може да направи това,” казва Меле. “Ние изграждаме изкуствени конструкции че не можете да изградите отгоре надолу в интересен мащаб на дължината – по-голям от атомите, по-малък, отколкото можете да направите с литография – и ако имате контрол над това, можете да направите много неща.


Поглед вътре в графенов сандвич


Повече информация:
Võ Tiến Phong et al, Гранични режими от периодични магнитни и псевдомагнитни полета в графен, Писма за физически преглед (2022 г.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.176406

Цитат: По-опростен подход за създаване на квантови материали (2022 г., 4 май), извлечен на 5 май 2022 г. от https://phys.org/news/2022-05-simpler-approach-quantum-materials.html

Този документ е обект на авторско право. Освен всяка честна сделка с цел частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писменото разрешение. Съдържанието е предоставено само за информационни цели.