Twistronics - Twistronics

Атомный масштаб муаровый узор создается путем наложения двух наклонных листов графен, а шестиугольная решетка состоит из углерод атомы.

Twistronics (из крутить и электроника) - это исследование того, как угол (скрутка) между слоями двумерные материалы могут изменять свои электрические свойства.[1][2] Такие материалы как двухслойный графен было показано, что они имеют совершенно разное электронное поведение, начиная от непроводящий к сверхпроводящий, который сильно зависит от угла между слоями.[3][4] Термин был впервые введен исследовательской группой Эфтимиоса Каксираса в Гарвардском университете при теоретическом рассмотрении сверхрешеток графена.[1][5]

История

В 2007, Национальный университет Сингапура физик Антонио Кастро Нето предположил, что прижатие двух смещенных друг к другу листов графена может дать новые электрические свойства, и отдельно предположил, что графен может открыть путь к сверхпроводимости, но он не объединил эти две идеи.[4] В 2010 году исследователи из Universidad Técnica Federico Santa María в Чили обнаружили, что под определенным углом, близким к 1 градусу, полоса электронной структуры скрученного двухслойного графена становится полностью плоской.[6], и из-за этого теоретического свойства они предположили, что коллективное поведение возможно. В 2011 Аллан Макдональд и Рафи Бистрицер используя простую теоретическую модель, обнаружил, что для ранее найденного «магического угла» количество энергии, которое потребуется свободному электрону для туннель между двумя листами графена радикально меняется.[7] В 2017 году исследовательская группа Эфтимиоса Каксираса из Гарвардского университета использовала подробные квантово-механические расчеты, чтобы уменьшить неопределенность в угле закручивания между двумя слоями графена, который может вызвать необычное поведение электронов в этой двумерной системе.[1] В 2018 г. Пабло Харилло-Эрреро, экспериментатор Массачусетский технологический институт, обнаружили, что магический угол привел к необычным электрическим свойствам, предсказанным учеными UT Остина.[8] При вращении на 1,1 градуса при достаточно низких температурах электроны переходят из одного слоя в другой, создавая решетку и явление сверхпроводимости.[9]

Публикация этих открытий породила множество теоретических работ, направленных на понимание и объяснение явлений.[10] а также многочисленные эксперименты[3] с использованием разного количества слоев, углов закрутки и других материалов.[4][11]

Характеристики

Анимация твистроника. Здесь у нас есть 2 наложенных листа, один из которых поворачивается в общей сложности на 90 градусов. Мы видим, что с изменением угла поворота меняется и периодичность.

Сверхпроводимость и изоляция

Теоретические предсказания сверхпроводимости были подтверждены Пабло Харилло-Эрреро и его ученик Юань Цао из Массачусетский технологический институт и коллеги из Гарвардский университет и Национальный институт материаловедения в Цукуба, Япония. В 2018 году они подтвердили, что сверхпроводимость существовал в двухслойный графен 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][12][13] Они создали два двухслойных устройства, которые действовали как изолятор вместо проводника в магнитном поле. Повышение напряженности поля превратило второе устройство в сверхпроводник.

Еще одним достижением в твистронике является открытие метода включения и выключения сверхпроводящих путей с помощью небольшого перепада напряжения.[14]

Гетероструктуры

Эксперименты также проводились с использованием комбинаций слоев графена с другими материалами, которые образуют гетероструктуры в виде атомарно тонких листов, удерживаемых слабыми Сила Ван-дер-Ваальса.[15] Например, исследование, опубликованное в Наука в июле 2019 года обнаружил, что с добавлением решетка нитрида бора между двумя листами графена, уникальный орбитальный ферромагнетик эффекты производились под углом 1,17 °, что можно было использовать для реализации объем памяти в квантовые компьютеры.[16] Дальнейшие спектроскопические исследования скрученного двухслойного графена показали сильные электрон-электронные корреляции под магическим углом.[17]

Электронная лужа

Между двумерными слоями селенида висмута и дихалькогенида исследователи из Северо-Восточного университета в Бостоне обнаружили, что при определенной степени скручивания новый слой решетки, состоящий только из чистых электронов, будет развиваться между двумя двумерными элементарными слоями.[18] Квантовые и физические эффекты выравнивания между двумя слоями, по-видимому, создают области «лужи», которые захватывают электроны в стабильную решетку. Поскольку эта стабильная решетка состоит только из электронов, это первая наблюдаемая неатомная решетка, которая 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, обладает сверхпроводимостью, изоляцией и ферромагнетизмом.[19]

Рекомендации

  1. ^ а б c Карр, Стивен; Массат, Даниэль; Фанг, Шианг; Казо, Поль; Лускин, Митчелл; Каксирас, Эфтимиос (17 февраля 2017 г.). «Твистроника: манипулирование электронными свойствами двумерных слоистых структур через их угол закручивания». Физический обзор B. 95 (7): 075420. arXiv:1611.00649. Дои:10.1103 / PhysRevB.95.075420. ISSN  2469-9950.
  2. ^ а б Харилло-Эрреро, Пабло; Каксирас, Эфтимиос; Танигучи, Такаши; Ватанабэ, Кендзи; Фанг, Шианг; Фатеми, Валла; Цао, Юань (2018-03-06). «Сверхрешетки графена с магическим углом: новая платформа для нетрадиционной сверхпроводимости». Природа. 556 (7699): 43–50. arXiv:1803.02342. Дои:10.1038 / природа26160. PMID  29512651.
  3. ^ а б Гибни, Элизабет (2019-01-02). «Как графен« магический угол »будоражит физику». Природа. 565 (7737): 15–18. Bibcode:2019Натура.565 ... 15г. Дои:10.1038 / d41586-018-07848-2. PMID  30602751.
  4. ^ а б c Фридман, Дэвид Х. (30 апреля 2019 г.). «Как искривленный графен стал большим предметом в физике». Журнал Quanta. Получено 2019-05-05.
  5. ^ Tritsaris, Georgios A .; Карр, Стивен; Чжу, Зиянь; Се, Ици; Торриси, Стивен Б .; Тан, Цзин; Маттеакис, Мариос; Ларсон, Дэниел; Каксирас, Эфтимиос (30.01.2020). «Расчеты электронной структуры скрученных многослойных сверхрешеток графена». arXiv:2001.11633 [cond-mat.mes-hall ].Дои:10.1088 / 2053-1583 / ab8f62
  6. ^ Suárez Morell, E .; Correa, J.D .; Vargas, P .; Pacheco, M .; Бартичевич, З. (13 сентября 2010 г.). «Плоские полосы в слегка скрученном двухслойном графене: расчеты сильной связи». Физический обзор B. 82 (12): 121407. Дои:10.1103 / PhysRevB.82.121407. HDL:10533/144840. ISSN  1098-0121.
  7. ^ Бистрицер, Рафи; Макдональд, Аллан Х. (26 июля 2011 г.). «Муаровые полосы в скрученном двухслойном графене». Труды Национальной академии наук. 108 (30): 12233–12237. Дои:10.1073 / pnas.1108174108.
  8. ^ Цао, юань; Фатеми, Валла; Фанг, Шианг; Ватанабэ, Кендзи; Танигучи, Такаши; Каксирас, Эфтимиос; Харилло-Эрреро, Пабло (5 марта 2018 г.). «Нетрадиционная сверхпроводимость в сверхрешетках графена с магическим углом». Природа. 556: 43–50. Дои:10.1038 / природа26160.
  9. ^ «Новый поворот в графене заставляет ученых-материаловедов замолчать». Нью-Йорк Таймс. 30 октября 2019 г.. Получено 29 сен 2020.
  10. ^ Фридман, Дэвид Х. (28 мая 2019 г.). «В чем магия« магического »угла графена?». Журнал Quanta. Получено 2019-05-28.
  11. ^ «Эксперименты исследуют тайны сверхпроводников с« волшебным »углом». Phys.org. 2019-07-31. Получено 2019-07-31.
  12. ^ Цао, юань; Фатеми, Валла; Демир, Ахмет; Фанг, Шианг; Tomarken, Spencer L .; Луо, Джейсон Й .; Санчес-Ямагиши, Хавьер Д .; Ватанабэ, Кендзи; Танигучи, Такаши (01.04.2018). «Коррелированное поведение изолятора при половинном заполнении в сверхрешетках графена под магическим углом». Природа. 556 (7699): 80–84. arXiv:1802.00553. Bibcode:2018Натура 556 ... 80С. Дои:10.1038 / природа26154. ISSN  0028-0836. PMID  29512654.
  13. ^ Ван, Брайан (2018-03-07). «Сверхрешетки графена могут быть использованы для сверхпроводящих транзисторов». NextBigFuture.com. Получено 2019-05-03.
  14. ^ «Искаженная физика: графен с магическим углом создает переключаемые модели сверхпроводимости». Phys.org. 30 октября 2019 г.,. Получено 2020-02-06.
  15. ^ Университет Шеффилда (6 марта 2019 г.). «1 + 1 не равно 2 для графеноподобных двумерных материалов». Phys.org. Получено 2019-08-01.
  16. ^ Тан, Кер (2019-07-26). «Физики открывают новый квантовый трюк с графеном: магнетизм». Phys.org. Получено 2019-07-27.
  17. ^ Шерер, Матиас С. (31.07.2019). «Спектроскопия графена с волшебной изюминкой». Природа. 572 (7767): 40–41. Bibcode:2019Натура 572 ... 40S. Дои:10.1038 / d41586-019-02285-1.
  18. ^ «Физики могли случайно открыть новое состояние материи». Phys.org. Получено 2020-02-27.
  19. ^ «Талантливый 2-D материал получает новый концерт». Phys.org. Получено 2020-03-04.