stringtranslate.com

Твистроникс

Муаровый узор атомного масштаба , созданный путем наложения двух наклонных листов графена — гексагональной решетки, состоящей из атомов углерода .

Твистроника (от twist и electronics ) — это изучение того, как угол (скручивание) между слоями двумерных материалов может изменять их электрические свойства. [1] [2] Было показано, что такие материалы, как двухслойный графен , имеют совершенно разное электронное поведение, от непроводящего до сверхпроводящего , которое чувствительно зависит от угла между слоями. [3] [4] Этот термин был впервые введен исследовательской группой Эфтимиоса Кашираса в Гарвардском университете в их теоретическом рассмотрении графеновых сверхрешеток. [1] [5]

Пабло Харильо-Эрреро , Аллан Х. Макдональд и Рафи Бистрицер были награждены премией Вольфа по физике 2020 года за их теоретическую и экспериментальную работу по скрученному двухслойному графену. [6]

История

В 2007 году физик из Национального университета Сингапура Антонио Х. Кастро Нето выдвинул гипотезу, что сжатие двух невыровненных листов графена вместе может дать новые электрические свойства, и отдельно предположил, что графен может предложить путь к сверхпроводимости, но он не объединил две идеи. [4] В 2010 году исследователи из лаборатории Евы Андре в Ратгерском университете в Пискатауэе, штат Нью-Джерси, обнаружили скрученный двухслойный графен с помощью его определяющего муарового узора и продемонстрировали, что угол скручивания оказывает сильное влияние на зонную структуру, измерив сильно перенормированные сингулярности Ван Хоува . [7] Также в 2010 году исследователи из Технического университета Федерико Санта Мария в Чили обнаружили, что для определенного угла, близкого к 1 градусу, зона электронной структуры скрученного двухслойного графена становится полностью плоской, [8] и из-за этого теоретического свойства они предположили, что коллективное поведение может быть возможным. В 2011 году Аллан Х. Макдональд (из Техасского университета в Остине ) и Рафи Бистрицер, используя простую теоретическую модель, обнаружили, что для ранее найденного «магического угла» количество энергии, которое потребуется свободному электрону для туннелирования между двумя графеновыми листами, радикально меняется. [9] В 2017 году исследовательская группа Эфтимиоса Кашираса из Гарвардского университета использовала подробные расчеты квантовой механики для уменьшения неопределенности угла закручивания между двумя графеновыми слоями, что может вызвать необычное поведение электронов в этой двумерной системе. [1] В 2018 году Пабло Харильо-Эрреро , экспериментатор из Массачусетского технологического института , обнаружил, что магический угол приводит к необычным электрическим свойствам, которые предсказывали Макдональд и Бистрицер. [10] При вращении на 1,1 градуса при достаточно низких температурах электроны перемещаются из одного слоя в другой, создавая решетку и явление сверхпроводимости. [11]

Публикация этих открытий породила множество теоретических работ, направленных на понимание и объяснение явлений [12] , а также многочисленные эксперименты [3] с использованием различного количества слоев, углов закручивания и других материалов. [4] [13] Последующие работы показали, что электронные свойства стопки также могут сильно зависеть от гетеродеформации, особенно вблизи магического угла [14] [15] , что открывает потенциальные возможности применения в стрейнтронике .

Характеристики

Анимация твистроникс. Здесь у нас есть 2 наложенных друг на друга листа, один из которых вращается в общей сложности на 90 градусов. Мы видим, что с изменением угла вращения меняется и периодичность.

Сверхпроводимость и изоляция

Теоретические предсказания сверхпроводимости были подтверждены Пабло Харильо-Эрреро и его студентом Юань Цао из Массачусетского технологического института и коллегами из Гарвардского университета и Национального института материаловедения в Цукубе , Япония. В 2018 году они подтвердили, что сверхпроводимость существует в двухслойном графене , где один слой был повернут на угол 1,1° относительно другого, образуя муаровый узор , при температуре 1,7 К (−271,45 °C; −456,61 °F). [2] [16] [17] Они создали два двухслойных устройства, которые действовали как изолятор вместо проводника без магнитного поля. Увеличение напряженности поля превратило второе устройство в сверхпроводник.

Дальнейшим достижением в области твистроники стало открытие метода включения и выключения сверхпроводящих путей путем приложения небольшого перепада напряжения. [18]

Гетероструктуры

Также были проведены эксперименты с использованием комбинаций слоев графена с другими материалами, которые образуют гетероструктуры в виде атомарно тонких листов, удерживаемых вместе слабой силой Ван-дер-Ваальса . [19] Например, исследование, опубликованное в журнале Science в июле 2019 года, показало, что при добавлении решетки нитрида бора между двумя листами графена были получены уникальные орбитальные ферромагнитные эффекты под углом 1,17°, которые можно было бы использовать для реализации памяти в квантовых компьютерах . [20] Дальнейшие спектроскопические исследования скрученного двухслойного графена выявили сильные электрон-электронные корреляции под магическим углом. [21]

Электронное пудлингование

Между 2-D слоями селенида висмута и дихалькогенида исследователи из Северо-Восточного университета в Бостоне обнаружили, что при определенной степени скручивания между двумя 2-D элементарными слоями образуется новый слой решетки, состоящий только из чистых электронов. [22] Квантовые и физические эффекты выравнивания между двумя слоями, по-видимому, создают области «луж», которые захватывают электроны в стабильную решетку. Поскольку эта стабильная решетка состоит только из электронов, она является первой наблюдаемой неатомной решеткой и предлагает новые возможности для ограничения, контроля, измерения и транспортировки электронов.

Ферромагнетизм

Было показано, что трехслойная конструкция, состоящая из двух слоев графена с двумерным слоем нитрида бора, проявляет сверхпроводимость, изоляцию и ферромагнетизм. [23] В 2021 году это было достигнуто на одной пластинке графена. [24]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Карр, Стивен; Массатт, Дэниел; Фанг, Шианг; Казо, Пол; Ласкин, Митчелл; Каксирас, Эфтимиос (17 февраля 2017 г.). "Твистроника: Манипулирование электронными свойствами двумерных слоистых структур с помощью угла их закручивания". Physical Review B . 95 (7): 075420. arXiv : 1611.00649 . Bibcode :2017PhRvB..95g5420C. doi :10.1103/PhysRevB.95.075420. S2CID  27148700.
  2. ^ аб Харильо-Эрреро, Пабло; Каширас, Эфтимиос; Танигучи, Такаши; Ватанабэ, Кендзи; Фанг, Шианг; Фатеми, Валла; Цао, Юань (06 марта 2018 г.). «Сверхрешетки графена с магическим углом: новая платформа для нетрадиционной сверхпроводимости». Природа . 556 (7699): 43–50. arXiv : 1803.02342 . Бибкод : 2018Natur.556...43C. дои : 10.1038/nature26160. PMID  29512651. S2CID  4655887.
  3. ^ ab Gibney, Elizabeth (2019-01-02). «Как графен с „магическим углом“ пробуждает физику». Nature . 565 (7737): 15–18. Bibcode :2019Natur.565...15G. doi : 10.1038/d41586-018-07848-2 . PMID  30602751.
  4. ^ abc Freedman, David H. (2019-04-30). «Как скрученный графен стал большой вещью в физике». Журнал Quanta . Получено 2019-05-05 .
  5. ^ Трицарис, Георгиос А.; Карр, Стивен; Чжу, Зиян; Се, Ици; Торриси, Стивен Б.; Тан, Цзин; Маттеакис, Мариос; Ларсон, Дэниел; Каширас, Эфтимиос (30 января 2020 г.). «Расчеты электронной структуры скрученных многослойных графеновых сверхрешеток». 2D материалы . 7 (3): 035028. arXiv : 2001.11633 . Бибкод : 2020TDM.....7c5028T. дои : 10.1088/2053-1583/ab8f62. S2CID  211004085.
  6. ^ "Аллан Макдональд выигрывает премию Вольфа по физике | Колледж естественных наук". cns.utexas.edu . Получено 24.09.2024 .
  7. ^ Ли, Гохонг; Луикан, А.; Лопес дос Сантос, Дж. М. Б.; Кастро Нето, А. Х.; Рейна, А.; Конг, Дж.; Андрей, Й. Я. (февраль 2010 г.). «Наблюдение особенностей Ван Хова в скрученных слоях графена». Nature Physics . 6 (2): 109–113. arXiv : 0912.2102 . Bibcode :2010NatPh...6..109L. doi :10.1038/nphys1463.
  8. ^ Суарес Морелл, Э.; Корреа, Дж. Д.; Варгас, П.; Пачеко, М.; Бартисевич, З. (13 сентября 2010 г.). «Плоские полосы в слегка скрученном двухслойном графене: расчеты сильной связи». Physical Review B. 82 ( 12): 121407. arXiv : 1012.4320 . Bibcode : 2010PhRvB..82l1407S. doi : 10.1103/PhysRevB.82.121407. hdl : 10533/144840 . S2CID  117926220.
  9. ^ Бистрицер, Рафи; Макдональд, Аллан Х. (26 июля 2011 г.). «Полосы муара в скрученном двухслойном графене». Труды Национальной академии наук . 108 (30): 12233–12237. arXiv : 1009.4203 . Bibcode :2011PNAS..10812233B. doi : 10.1073/pnas.1108174108 . PMC 3145708 . PMID  21730173. 
  10. ^ Цао, Юань; Фатеми, Валла; Фанг, Шианг; Ватанабэ, Кендзи; Танигучи, Такаши; Каширас, Эфтимиос; Харильо-Эрреро, Пабло (5 марта 2018 г.). «Нетрадиционная сверхпроводимость в графеновых сверхрешетках с магическим углом». Природа . 556 (7699): 43–50. arXiv : 1803.02342 . Бибкод : 2018Natur.556...43C. дои : 10.1038/nature26160. PMID  29512651. S2CID  4655887.
  11. ^ Чанг, Кеннет (30 октября 2019 г.). «Новый поворот в области графена заставляет ученых-материаловедов поволноваться». New York Times . Получено 29 сентября 2020 г.
  12. ^ Фридман, Дэвид Х. (28.05.2019). «В чем магия „волшебного“ угла графена?». Журнал Quanta . Получено 28.05.2019 .
  13. ^ «Эксперименты исследуют тайны сверхпроводников с «магическим» углом». Phys.org . 2019-07-31 . Получено 2019-07-31 .
  14. ^ Би, Чжэнь; Юань, Ноа ФК; Фу, Лян (2019-07-31). "Проектирование плоских полос по деформации". Physical Review B. 100 ( 3): 035448. arXiv : 1902.10146 . Bibcode : 2019PhRvB.100c5448B. doi : 10.1103/PhysRevB.100.035448 . hdl : 1721.1/135558 .
  15. ^ Меспле, Флори; Миссауи, Ахмед; Сеа, Томмазо; Худер, Луик; Гвинея, Франциско; Трамбли де Лайссардьер, Гай; Шапелье, Клод; Ренар, Винсент Т. (17 сентября 2021 г.). «Гетерострейн определяет плоские полосы в слоях графена, скрученных под магическим углом». Physical Review Letters . 127 (12): 126405. arXiv : 2012.02475 . Bibcode : 2021PhRvL.127l6405M. doi : 10.1103/PhysRevLett.127.126405. PMID  34597066. S2CID  227305789.
  16. ^ Цао, Юань; Фатеми, Валла; Демир, Ахмет; Фанг, Шианг; Томаркен, Спенсер Л.; Луо, Джейсон Ю.; Санчес-Ямагиши, Хавьер Д.; Ватанабэ, Кендзи; Танигучи, Такаши; Каширас, Эфтимиос; Ашури, Рэй С.; Харильо-Эрреро, Пабло (5 апреля 2018 г.). «Коррелированное поведение изолятора при половинном заполнении графеновых сверхрешеток с магическим углом». Природа . 556 (7699): 80–84. arXiv : 1802.00553 . Бибкод : 2018Natur.556...80C. дои : 10.1038/nature26154. PMID  29512654. S2CID  4601086.
  17. ^ Ван, Брайан (2018-03-07). "Сверхрешетки графена могут быть использованы для сверхпроводящих транзисторов". NextBigFuture.com . Получено 2019-05-03 .
  18. ^ "Twisted physics: Magic angle graphene produce switchable patterns of superconductivity". phys.org . 30 октября 2019 г. Получено 2020-02-06 .
  19. ^ Университет Шеффилда (6 марта 2019 г.). «1 + 1 не равно 2 для графеноподобных двумерных материалов». phys.org . Получено 01.08.2019 .
  20. ^ Тан, Кер (2019-07-26). "Физики открывают новый квантовый трюк для графена: магнетизм". phys.org . Получено 2019-07-27 .
  21. ^ Шойрер, Матиас С. (2019-07-31). «Спектроскопия графена с волшебным поворотом». Nature . 572 (7767): 40–41. Bibcode :2019Natur.572...40S. doi : 10.1038/d41586-019-02285-1 . PMID  31367024.
  22. ^ Кастаньон, Лаура (27 февраля 2020 г.). «Физики, возможно, случайно открыли новое состояние материи». Phys.org . Получено 27.02.2020 .
  23. ^ «Талантливый 2-D материал получает новую работу». Phys.org . 4 марта 2020 г. Получено 04.03.2020 г.
  24. ^ Ирвинг, Майкл (2021-05-06). «Магический угол делает графен одновременно сверхпроводящим и изолирующим». Новый Атлас . Получено 2021-05-09 .