Minulý rok pozorovali fyzici z MIT supravodivost ve dvojici vrstev grafenu, které jsou vůči sobě mírně pootočené. Mezinárodní tým vědců z ICFO v Barceloně teď došel ještě dál – při mnohem detailnějším studiu chování grafenové dvojvrstvy pootočené o „magický úhel“ se jim podařilo zaznamenat velké množství nových stavů. Otevřeli tak nové cesty ke studiu fyziky.
Twistovaná grafenová dvojvrstva pootočená o magický úhel podle vědců reprezentuje jednoduchý systém vhodný pro studium nových jevů, které v materiálu vznikají v důsledku interakcí mezi elektrony. Přiložením elektrického pole je možné ovlivňovat hustotu elektronů a měnit sílu interakce elektron – elektron. Stejným způsobem je možné přecházet mezi různými fázemi materiálu, například ze supravodivé do opačné, což by mohlo osvětlit mechanismus, který supravodivost, zejména při vysokých teplotách, způsobuje.
K vytvoření zkušebního zařízení použil tým metodu „tear and stack“, kterou již dříve vyvinuli fyzici na univerzitě v Texasu. Spočívá v položení dvou tenkých vrstev grafenu na sebe s malým úhlem pootočení. Když úhel dosáhne hodnoty 1,1°, stává se materiál supravodičem. Pokud je úhel třeba jen nepatrně větší, efekt zmizí.
O objev tzv. magického úhlu se minulý rok zasloužili výzkumníci z MIT a jejich výsledky spustily lavinu dalších výzkumů. Vznikl tak zcela nový obor twistronika, který využívá slabé vazby mezi vrstvami 2D materiálů, jako je právě grafen, k ovládání jejich elektronických vlastností.
Krystalická struktura jedné vrstvy grafenu se dá popsat jako jednoduché opakování atomů uhlíku, které představují jednotkovou buňku a mají tvar „včelího“ šestiúhelníku. Když se dvě grafenové vrstvy navrší jedna na druhou pod určitým malým úhlem, vytvoří se „moiré“ obrazce nebo také supermřížka. V ní se jednotková buňka může roztáhnout ve velkém rozsahu, podobě jako kdyby byl 2D krystal uměle natažen stokrát do všech stran. Takové natažení dramaticky mění materiálové interakce a vlastnosti, jednoduše to znamená, že změna úhlu mezi vrstvami 2D materiálu mění jeho elektronovou pásovou strukturu. Malé pootočení může „moiré“ grafenovou supermřížku změnit od zcela izolační až po supravodivou.
V nejnovější práci fyzici vylepšili strukturní homogenitu dvojvrstvého twistovaného grafenu mechanickým vyčištěním. Tím se odstranily nečistoty a uvolnila se všechna lokální pnutí mezi vrstvami. U prvku vyrobeného z tohoto materiálu pak následně přiložením napětí změnili hustotu nosičů náboje a zjistili, že prvek může být přeladěn ze stavu, kde se chová jako „Chernův izolátor“ (to je stav, kde elektronové pásy materiálu jsou buď všechny zaplněny, nebo všechny prázdné), až do supravodivého stavu. Je také možné vytvářet exotické magnetické stavy, v nichž magnetismus vzniká v důsledku orbitálního pohybu elektronů, spíš než v důsledku elektronových spinů. Takové stavy nikdo předtím nepozoroval.
Různé stavy, které vědci pozorovali, jsou citlivé na kvalitu materiálu. Zatím ale není úplně jasné, proč materiál hraje tak důležitou roli. Ví se pouze to, že všechny související stavy jsou způsobovány interakcí elektron – elektron. Jejich základní stavy a mechanismus interakce mezi těmito kvantovými fázemi zatím zůstává hádankou.
Šokujícím zjištěním je, že prvek přechází do supravodivého stavu při nižší hustotě nosičů, než která kdy byla zjištěna pro jakýkoliv jiný supravodič. Tento výsledek může mít důsledky pro takové aplikace, jako jsou kvantová čidla, protože materiál se stává citlivější na většinu druhů radiace. Skupina také už zkusila integrovat grafenovou dvojvrstvu s magickým úhlem do jednofotonového detektoru. Cílem bylo zhotovit prvek, který by mohl pracovat v oboru kvantového zobrazování, biofotoniky anebo kódovacích systémů. A to jsou jen tři náhodně vybrané příklady.
Autoři práce našli zajímavý soubor souvisejících izolačních a supravodivých stavů, které ještě nebyly nikdy předtím objeveny. To ukazuje, že fenomenologie grafenu s magickým úhlem je daleko širší a bohatší, než se předpokládalo. Zbývá rozluštit původ nových stavů a zjistit, proč se v něčem poněkud liší výsledky různých pracovních týmů. Už teď se však dá předpokládat, že výzkum vzbudí velký zájem a že jeho výsledkem bude řada důležitých experimentálních i teoretických prací.
Původní práce byla uveřejněna v Nature.
Mohlo by vás zajímat:
Kvantový
darwinismus v diamantu
Atomy
plynu se řítí k supermasivní černé díře rychlostí 5000 km/s
Nová
technologie pro umělé vidění
Vědci
zhudebnili proteinové molekuly