محققان تصویر مستقیمی از زاویه جادویی لایه‌های پیچ‌خورده گرافن می‌گیرند

تنها یکسال پس از آن‌که محققان MIT با کشف “زاویه جادویی[1]” برای لایه‌‌های گرافنی انباشته شده، دنیای فیزیک را متحیر کردند، محققان Caltech این ماده را با استفاده از میکروسکوپ تونلینگ روبشی[2] به صورت مستقیم مشاهده و مطالعه نمودند. این کار می‌تواند خواص الکتریکی در مقیاس اتمی را به تصویر بکشد.

درک زاویه جادویی – یک جهت‌گیری خاص بین لایه‌های گرافنی انباشته شده که دارای خواص الکتریکی ویژه‌ای می‌باشند – می‌تواند راه را برای تحقق رویای ابررساناهای دمای اتاقی[3] را هموار کند. این امر باعث می‌شود تا بدون اعمال حرارت، جریان‌های الکتریکی عظیمی را منتقل کرد.

اما در ابتدا، زاویه جادویی چیست؟ به شما می‌گویند تا دو لایه گرافنی – شبکه کربنی به ضخامت یک اتم – را انتخاب کرده و یکی را روی دیگری قرار دهید تا یک ماده دولایه ایجاد شود. سپس یکی از لایه‌های گرافنی را پیچانده و جهت‌گیری آن‌را نسبت به دیگری تغییر دهید. با تغییر جهت‌گیری یکی از لایه‌ها، خواص الکتریکی این ماده دولایه، تغییر پیدا می‌کند. در اوایل سال 2018، محققان MIT کشف کردند که در یک جهت‌گیری خاص (حدود 1/1 درجه پیچش نسبی)، ماده دولایه، به طرز شگفت‌آوری تبدیل به ابر رسانا می‌شود. علاوه براین، خواص ابر رسانا را نیز می‌توان با میدان‌های الکتریکی کنترل کرد. کشف آن‌ها، زمینه جدیدی از تحقیقات در مورد گرافن با زاویه جادویی جهت‌گیری یافته تحت عنوان “Twistronic” را ایجاد کرد.

مهندسین و فیزیکدانان در Caltech، با ایجاد تصویری از ساختار اتمی و خواص الکتریکی گرافن پیچ‌خورده حاوی زاویه جادویی، با ارائه راهی مستقیم‌تر برای مطالعه، بینش جدیدی از این پدیده را به وجود آوردند. مقاله‌ای در مورد کار آن‌ها در ژورنال Nature physics در 5 آگوست منتشر شد.

استفان ناد-پرگ[4]، نویسنده مکاتب مقاله و استادیار فیزیک کاربردی و علوم مواد در بخش مهندسی و علوم کاربردی Caltech، در این‌باره می‌گوید: این کار پوشش‌های لایه‌ای بر روی Twistronic ها را به عقب می‌راند.

تحقیقات بر روی زاویه جادویی به دقت بسیار بالایی احتیاج دارد تا دو لایه گرافنی با زاویه درست بر روی هم تراز شوند. تکنیک‌های قدیمی برای انجام این کار،‌ نیاز به جاسازی گرافن در یک ماده عایق داشت که این امر اثرات مخربی را در مطالعه مستقیم نمونه ایجاد می‌کرد. به همین دلیل، به جای آن، محققان مجبور بودند تا از روش‌های غیرمستقیم برای مطالعه بر روی نمونه گرافنی – مانند اندازه‌گیری جریان الکترون‌ها و نحوه عبور آن‌ها – استفاده کنند. ناد-پرگ و همکارانش، روش جدیدی در ساخت نمونه‌های گرافنی پیچ‌خورده حاوی زوایای جادویی را پیشنهاد کردند که می‌تواند به صورت دقیق، دولایه گرافنی را تراز کرده و امکان مشاهده مستقیم آن‌ را فراهم کند.

محققان با استفاده از این تکنیک می‌توانند اطلاعات بیشتری در مورد خصوصیات الکتریکی مواد در زاویه جادویی و همچنین چگونگی تغییر این خواص، هنگام تغییر زاویه پیچش از حالت جادویی آن، بدست بیاورند. کار آن‌ها چندین دیدگاه کلیدی را ارائه داده است که می‌تواند هدایت‌گر مدل‌سازی‌های نظری و آزمایشات تجربی آینده باشد. از جمله در پیدا کردن آن‌که در چه نقطه‌ای و در چه زاویه‌ای ماده دولایه، از لحاظ همبستگی الکترونیکی[5] در حالت خنثی قرار دارد، نقش مهمی را ایفا می‌کند.

ناد-پرگ می‌گوید: پیش از این تصور می‌شد که اثرات همبستگی الکترونیکی، نقش اساسی در خنثی‌سازی ندارند. به بیان دیگر، بررسی دقیق‌تر نمونه‌هایی از این قبیل می‌تواند به ما کمک کند تا توضیح دهیم که چرا اثرات الکترونیکی نا مأنوسی در نزدیکی زاویه جادویی وجود دارد. ما می‌دانیم که می‌توانیم راه را برای استفاده از کاربردهای مفید آن هموار کنیم. حتی ممکن است این کار روزی هدایت‌گر ابررساناهای دمای اتاقی باشد.

این مقاله تحت عنوان “Electronic correlation in twisted bilayer graphene near the magic angle” منتشر شده است.

[1] Magic angle

[2] Scanning tunneling microscope

[3] Room-temperature superconductors

[4] Stevan Nadj-Perge

[5] Electronic correlation

محصولات مرتبط

فهرست