Grafeenia pinoten ja kiertäen

Yksikerroksisten ja kaksikerroksisten grafeenilevyjen pinoaminen ja kiertäminen aiheuttavat uusia kollektiivisia elektronien tiloja, kuten harvinaisen magnetismin muodon.

Yksi- ja kaksikerroksisen grafeeniarkin keskinäinen kiertyminen kolmikerroksisessa rakenteessa johtaa uudenlaisiin kvanttimekaanisiin tiloihin. Columbian ja Washingtonin yliopistojen yhteinen tutkijaryhmä on havainnut, että kolmikerroksisessa grafeenirakenteessa voi syntyä erilaisia eksoottisia elektronisia tiloja, mukaan lukien harvinainen magnetismin muoto.

Työ on saanut inspiraation viimeaikaisista tutkimuksista grafeenin kaksi tai neljä arkkia sisältävistä hieman tasomaisesti kiertyneistä kerrosrakenteista. Näissä materiaalirakenteissa havaittiin joukko epätavallisia elektronisia tiloja, jotka johtuvat elektronien välisistä voimakkaista vuorovaikutuksista.

"Mietimme, mitä tapahtuisi, jos yhdistettäisiin grafeenin yksikerroksiset ja kaksikerroksiset kiertyneiksi kolmikerroksiseksi järjestelmäksi", kertoo Columbian yliopiston professori Cory Dean. "Huomasimme, että grafeenikerrosten lukumäärän vaihtelu antaa näille komposiittimateriaaleille jännittäviä uusia ominaisuuksia, jollaisia ei ole ennen nähty."

Kokeensa suorittamiseksi tutkijat pinosivat yksikerroksisen grafeeniarkin kaksikerroksiselle levylle ja kiersivät niitä noin yhden asteen verran. Muutaman asteen lämpötilassa absoluuttisen nollan yläpuolella ryhmä havaitsi joukon sähköä johtamattomia tiloja voimakkaiden elektronien välisten vuorovaikutusten ohjaamana. He havaitsivat myös, että näitä tiloja voidaan hallita soveltamalla sähkökenttää grafeenilevyihin.

Kun tutkijat osoittivat sähkökentän kohti yksikerroksista grafeenilevyä, järjestelmä muistutti kiertynyttä kaksikerroksista grafeenia. Mutta kun sähkökenttä käännettiin kohti kaksikerroksista grafeenilevyä, se jäljitteli kierrettyä kaksoiskerroksista grafeenia eli nelikerroksista rakennetta. Tiimi löysi myös uusia magneettisia tiloja järjestelmästä. Toisin kuin tavanomaiset magneetit, joita ohjaa elektronien kvanttimekaaninen ominaisuus eli spinit, elektronien kollektiivinen pyörteinen liike ryhmän kolmikerroksisessa rakenteessa on taustana magnetismille, he havaitsivat.

Tämän magneettimuodon löysivät äskettäin muut tutkijat boorinitridin kiteillä lepäävien grafeenin eri rakenteissa. Tiimi on nyt osoittanut, että se voidaan havaita myös yksinkertaisemmassa järjestelmässä, joka on rakennettu pelkästään grafeenista.

"Puhdas hiili ei ole magneettista", toteaa Washingtonin yliopiston Matthew Yankowitz. "Huomionarvoista on, että voimme suunnitella tämän ominaisuuden järjestämällä kolme grafeeniarkkia juuri oikeisiin kiertokulmiin."

Magnetismin lisäksi tutkimus paljasti rakenteessa myös merkkejä topologiasta, jolla voi vaikutuksia kvanttilaskennalle tai uudentyyppisille energiatehokkaille datantallennuksen sovelluksille.

Aiheesta aiemmin:

Eväitä twistroniikalle

Uusia tiloja grafeenin taikakulmassa

Moiré-kuviot tuottavat superhiloja