Twistronics
Twistronics (från twist and electronics ) är studiet av hur vinkeln (twisten) mellan lager av tvådimensionella material kan förändra deras elektriska egenskaper. Material som tvåskiktsgrafen har visat sig ha väldigt olika elektroniskt beteende, allt från icke-ledande till supraledande , som beror känsligt på vinkeln mellan lagren. Termen introducerades först av forskargruppen Efthimios Kaxiras vid Harvard University i deras teoretiska behandling av grafen supergitter.
Historia
2007 ansåg fysikern Antonio Castro Neto från National University of Singapore att tryckning av två felinriktade grafenark kan ge nya elektriska egenskaper, och föreslog separat att grafen kunde erbjuda en väg till supraledning, men han kombinerade inte de två idéerna. År 2010 fann forskare från Universidad Técnica Federico Santa María i Chile att för en viss vinkel nära 1 grad blev bandet för den elektroniska strukturen av vriden dubbelskiktsgrafen helt platt, och på grund av den teoretiska egenskapen föreslog de att kollektivt beteende kan vara möjligt . År 2011 Allan MacDonald (från University of Texas i Austin ) och Rafi Bistritzer med hjälp av en enkel teoretisk modell att för den tidigare hittade "magiska vinkeln" förändras mängden energi som en fri elektron skulle kräva för att tunnla mellan två grafenark radikalt. Under 2017 använde Efthimios Kaxiras forskargrupp vid Harvard University detaljerade kvantmekaniska beräkningar för att minska osäkerheten i vridningsvinkeln mellan två grafenlager som kan inducera extraordinära beteenden hos elektroner i detta tvådimensionella system. 2018 fann Pablo Jarillo-Herrero , en experimentalist vid MIT , att den magiska vinkeln resulterade i de ovanliga elektriska egenskaperna som Allan MacDonald och Rafi Bistritzer hade förutspått. Vid 1,1 graders rotation vid tillräckligt låga temperaturer rör sig elektroner från ett lager till det andra, vilket skapar ett gitter och fenomenet supraledning.
Publiceringen av dessa upptäckter har genererat en mängd teoretiska artiklar som försöker förstå och förklara fenomenen såväl som många experiment med olika antal lager, vridningsvinklar och andra material. Efterföljande arbeten visade att de elektroniska egenskaperna hos stacken också kan vara starkt beroende av heterosträning , särskilt nära den magiska vinkeln som tillåter potentiella tillämpningar inom straintronics .
Egenskaper
Supraledning och isolering
De teoretiska förutsägelserna om supraledning bekräftades av Pablo Jarillo-Herrero och hans student Yuan Cao från MIT och kollegor från Harvard University och National Institute for Materials Science i Tsukuba , Japan. Under 2018 verifierade de att supraledning existerade i tvåskiktsgrafen där ett lager roterades med en vinkel på 1,1° i förhållande till det andra och bildade ett moirémönster , vid en temperatur på 1,7 K (−271,45 °C; −456,61 °F). De skapade två tvåskiktsenheter som fungerade som en isolator istället för en ledare under ett magnetfält. Genom att öka fältstyrkan förvandlades den andra enheten till en supraledare.
Ett ytterligare framsteg inom twistronik är upptäckten av en metod för att slå på och av de supraledande banorna genom applicering av en liten spänningsskillnad.
Heterostrukturer
Experiment har också gjorts med kombinationer av grafenlager med andra material som bildar heterostrukturer i form av atomärt tunna ark som hålls samman av den svaga Van der Waals-kraften . Till exempel fann en studie publicerad i Science i juli 2019 att med tillägget av ett bornitridgitter mellan två grafenskivor, producerades unika orbitala ferromagnetiska effekter i en 1,17° vinkel, som kan användas för att implementera minne i kvantdatorer . Ytterligare spektroskopiska studier av vriden dubbelskiktsgrafen avslöjade starka elektron-elektronkorrelationer vid den magiska vinkeln.
Elektronpöl
Mellan 2-D-lager för vismutselenid och en dikalkogenid upptäckte forskare vid Northeastern University i Boston att vid en viss vridningsgrad skulle ett nytt gitterlager, bestående av endast rena elektroner, utvecklas mellan de två 2-D-elementlagren. Kvanteffekterna och de fysiska effekterna av inriktningen mellan de två skikten verkar skapa "pöl"-regioner som fångar in elektroner i ett stabilt gitter. Eftersom detta stabila gitter endast består av elektroner, är det det första icke-atomära gitter som observerats och föreslår nya möjligheter att begränsa, kontrollera, mäta och transportera elektroner.
Ferromagnetism
En trelagerskonstruktion, bestående av två lager grafen med ett 2D-lager av bornitrid, har visat sig uppvisa supraledning, isolering och ferromagnetism. År 2021 uppnåddes detta på en enda grafenflinga.
Se även
- Straintronics – en metod för att förändra egenskaperna hos tvådimensionella material genom att införa kontrollerad stress
- Spintronics – studiet av elektronens inneboende spinn och dess tillhörande magnetiska moment i solid-state- enheter
- Valleytronics – studiet av lokala extrema, dalar, i den elektroniska bandstrukturen hos halvledare
