Fizycy na placu zabaw. Skręcony grafen może odmienić elektronikę, jaką znamy

Dodatnie zmiennego pola magnetycznego do dwóch warstw grafenu skręconych pod kątem może otworzyć drzwi do placu zabaw dla egzotycznej fizyki.
Skręcony grafen może odmienić elektronikę /Fot. Pixabay

Skręcony grafen może odmienić elektronikę /Fot. Pixabay

Egzotyczne właściwości grafenu, czyli pojedynczej warstwy atomów węgla w heksagonalnej sieci, są powszechnie znane. Elektrony skutecznie przemieszczają się przez materiał, jakby nie miały masy. To ekscytująca perspektywa tworzenia urządzeń elektronicznych o funkcjonalnościach wykraczających poza krzem. Jeszcze ciekawsze rzeczy dzieją się, gdy połączymy dwie lub więcej warstw grafenu.

Czytaj też: Stworzyli z grafenu coś bardzo użytecznego. To pierwsza próba takiego wykorzystania tej formy węgla

Naukowcy z RIKEN odkryli, że połączenie skręconych warstw grafenu pod tzw. magicznym kątem z polem magnetycznym prowadzi do powstania nowych egzotycznych stanów kwantowych. W skręconych warstwach grafenu, szczególnie przy kącie bliskim 1,1 stopnia, pojawiają się niespotykane dotąd właściwości. Zjawiska te są efektem silnych interakcji elektronowych w grafenie, które ulegają wzmocnieniu pod wpływem dodanego magnetyzmu. Szczegóły opisano w czasopiśmie Physical Review Letters.

Grafen skręcony – i to podwójnie!

Grafen to jednowarstwowy materiał zbudowany z atomów węgla, który ze względu na swoje unikalne właściwości elektryczne i mechaniczne zyskał przydomek “materiału przyszłości”. Naukowcy od dawna badają, jak można manipulować jego strukturą, aby odkrywać nowe zjawiska kwantowe. Jednym z takich zjawisk jest “skręcony” grafen, gdzie dwie warstwy tego materiału są nakładane na siebie i skręcane pod odpowiednim kątem, tzw. magicznym. Ten układ powoduje, że materiał nabiera nowych właściwości, takich jak nadprzewodnictwo, co było przedmiotem wielu badań w ostatnich latach.

Czytaj też: Przełom w tworzeniu nowych materiałów. Naukowcy obserwują zachowanie nanocząstek

Teraz naukowcy z RIKEN Interdisciplinary Theoretical and Mathematical Sciences (iTHEMS) wykazali, że skręcony grafen dwuwarstwowy może stać się punktem wyjścia dla egzotycznej fizyki. Unikalna struktura pasmowa grafenu powoduje jego szczególne właściwości elektroniczne.

Skręcony grafen /Fot. MIT

Dr Ching-Kai Chiu z RIKEN mówi:

Grafen jest znany z tego, że ma strukturę pasmową z liniową zależnością między energią elektronu a pędem w pewnych punktach. W skręconym grafenie dwuwarstwowym, przy pewnych “magicznych” kątach skręcenia pasma te ewoluują w pasma płaskie, ponieważ sprzężenie międzywarstwowe między warstwami jest dostosowane do właściwego miejsca.

W tych pasmach energia kinetyczna elektronów jest minimalizowana, więc oddziaływania między elektronami stają się dominującą siłą. Intensywne oddziaływania elektron–elektron prowadzą do licznych silnie skorelowanych zjawisk elektronicznych, takich jak niekonwencjonalne nadprzewodnictwo.

Okazuje się, że płaskie pasma są podwójne zdegenerowane, co znaczy, że dwa różne stany kwantowe mają taką samą energię. Fizykom udało się wykazać teoretycznie, że wprowadzenie przestrzennie zmiennego pola magnetycznego powoduje powstawanie dodatkowych kątów magicznych i płaskich pasm. W ten sposób można tworzyć wielowarstwowe materiały grafenowe o unikatowych właściwościach – pewnie też takich, które nie do końca jesteśmy dzisiaj w stanie zrozumieć.

Badania przeprowadzone przez zespół z RIKEN są istotne z wielu powodów. Po pierwsze, mogą one prowadzić do stworzenia nowych materiałów o wyjątkowych właściwościach elektrycznych i magnetycznych. Po drugie, odkryte stany kwantowe mają ogromny potencjał w rozwoju komputerów kwantowych