Physiker bauen fünfspurige Autobahn für Elektronen

MIT-Physiker und Kollegen haben eine fünfspurige Schnellstraße für Elektronen geschaffen, die hocheffiziente Elektronik und mehr ermöglichen könnte. Die Arbeit, berichtet in der Ausgabe vom 9. Mai von Wissenschaftist eine von mehreren wichtigen Entdeckungen desselben Teams im letzten Jahr, bei denen es um ein Material geht, bei dem es sich im Wesentlichen um eine einzigartige Form der Bleistiftmine handelt.

„Diese Entdeckung hat direkte Auswirkungen auf elektronische Geräte mit geringem Stromverbrauch, da bei der Ausbreitung von Elektronen keine Energie verloren geht, was bei regulären Materialien, bei denen die Elektronen gestreut werden, nicht der Fall ist“, sagt Long Ju, Assistenzprofessor an der MIT-Abteilung für Physiker und korrespondierender Autor der Arbeit.

Das Phänomen ähnelt Autos, die auf einer offenen Autobahn fahren, im Gegensatz zu Autos, die durch Stadtviertel fahren. Die Autos in der Nachbarschaft können durch abrupte Stopps oder Kehrtwendungen anderer Fahrer angehalten oder verlangsamt werden, was einen ansonsten reibungslosen Pendelverkehr stört.

Ein neues Material

Das Material hinter dieser Arbeit, bekannt als rhomboedrisches fünfschichtiges Graphen, wurde vor zwei Jahren von Physikern um Ju entdeckt. „Wir haben eine Goldmine gefunden und jede Schaufel enthüllt etwas Neues“, sagt Ju, der auch dem Materials Research Laboratory des MIT angehört.

In einem Natur-Nanotechnologie Im letzten Oktober berichteten Ju und Kollegen über die Entdeckung von drei wichtigen Eigenschaften, die sich aus rhomboedrischem Graphen ergeben. Sie zeigten beispielsweise, dass es topologisch sein könnte oder die ungehinderte Bewegung von Elektronen um den Rand des Materials, aber nicht durch die Mitte ermöglichen könnte. Das Ergebnis war eine Autobahn, die jedoch die Anwendung eines großen Magnetfelds erforderte, das einige Zehntausend Mal stärker war als das Erdmagnetfeld.

In der aktuellen Arbeit berichtet das Team über die Schaffung der Autobahn ohne Magnetfeld.

Tonghang Han, ein MIT-Absolvent in Physik, ist einer der Co-Erstautoren der Arbeit. „Wir sind nicht die Ersten, die dieses allgemeine Phänomen entdeckt haben, aber wir haben es in einem ganz anderen System getan. Und im Vergleich zu früheren Systemen ist unseres einfacher und unterstützt auch mehr Elektronenkanäle“, erklärt Ju. „Andere Materialien können nur eine Fahrspur am Rand des Materials tragen. Plötzlich haben wir die Zahl auf fünf erhöht.“

Weitere Co-Erstautoren der Arbeit, die gleichermaßen zur Arbeit beigetragen haben, sind Zhengguang Lu und Yuxuan Yao. Lu ist Postdoktorand im Materialforschungslabor. Yao führte die Arbeit als Gaststudent der Tsinghua-Universität durch. Weitere Autoren sind MIT-Professor Liang Fu für Physik; Jixiang Yang und Junseok Seo, beide Doktoranden der MIT-Physik; Chiho Yoon und Fan Zhang von der University of Texas in Dallas; und Kenji Watanabe und Takashi Taniguchi vom National Institute for Materials Science in Japan.

Wie es funktioniert

Bleistiftminen oder Graphit bestehen aus Graphen, einer einzelnen Schicht aus Kohlenstoffatomen, die in Sechsecken angeordnet sind und einer Wabenstruktur ähneln. Rhomboedrisches Graphen besteht aus fünf Graphenschichten, die in einer bestimmten überlappenden Reihenfolge gestapelt sind.

Ju und Kollegen isolierten rhomboedrisches Graphen dank eines neuartigen Mikroskops, das Ju 2021 am MIT gebaut hat und das schnell und relativ kostengünstig eine Vielzahl wichtiger Eigenschaften eines Materials auf der Nanoskala bestimmen kann. Fünfschichtiges rhomboedrisch gestapeltes Graphen ist nur wenige Milliardstel Meter dick.

In der aktuellen Arbeit bastelte das Team am ursprünglichen System herum und fügte eine Schicht Wolframdisulfid (WS2) hinzu. „Die Wechselwirkung zwischen WS2 und dem rhomboedrischen Pentaschicht-Graphen führte zu dieser fünfspurigen Autobahn, die ohne Magnetfeld betrieben wird“, sagt Ju.

Vergleich zur Supraleitung

Das von der Ju-Gruppe in rhomboedrischem Graphen entdeckte Phänomen, das es Elektronen ermöglicht, sich ohne Widerstand bei einem Magnetfeld von Null zu bewegen, ist als quantenanomaler Hall-Effekt bekannt. Den meisten Menschen ist die Supraleitung besser bekannt, ein völlig anderes Phänomen, das das Gleiche bewirkt, aber in ganz unterschiedlichen Materialien auftritt.

Ju weist darauf hin, dass Supraleiter zwar bereits in den 1910er-Jahren entdeckt wurden, es aber rund 100 Jahre Forschung brauchte, um das System dazu zu bringen, bei den für Anwendungen erforderlichen höheren Temperaturen zu arbeiten. „Und der Weltrekord liegt immer noch deutlich unter Raumtemperatur“, stellt er fest.

Ebenso wird die rhomboedrische Graphen-Autobahn derzeit bei etwa 2 Kelvin oder -456 Fahrenheit betrieben. „Es wird viel Aufwand erfordern, die Temperatur zu erhöhen, aber als Physiker besteht unsere Aufgabe darin, die Erkenntnisse zu liefern; eine andere Möglichkeit, dies zu realisieren.“ [phenomenon],“ sagt Ju.

Die Entdeckungen mit rhomboedrischem Graphen waren das Ergebnis sorgfältiger Forschung, deren Erfolg nicht garantiert war. „Wir haben über viele Monate hinweg viele Rezepte ausprobiert“, sagt Han, „deshalb war es sehr aufregend, als wir das System auf eine sehr niedrige Temperatur abgekühlt haben.“ [a five-lane superhighway operating at zero magnetic field] ist gerade herausgesprungen.

Ju sagt: „Es ist sehr aufregend, der Erste zu sein, der ein Phänomen in einem neuen System entdeckt, insbesondere in einem Material, das wir entdeckt haben.“