In Forschungen, die das Interesse an einer rätselhaften Materialklasse namens Quasikristalle wecken könnten, haben MIT-Wissenschaftler und Kollegen eine relativ einfache und flexible Möglichkeit entdeckt, neue atomar dünne Versionen zu erzeugen, die auf wichtige Phänomene abgestimmt werden können. In der Arbeit berichtet in Natur Sie beschreiben, genau das zu tun, um den Materialien Supraleitung und mehr zu verleihen.
Die Forschung führt eine neue Plattform ein, um nicht nur mehr über Quasikristalle zu erfahren, sondern auch exotische Phänomene zu erforschen, die schwer zu untersuchen sein können, aber zu wichtigen Anwendungen und neuer Physik führen könnten. Beispielsweise könnte ein besseres Verständnis der Supraleitung, bei der Elektronen durch ein Material ohne Widerstand fließen, wesentlich effizientere elektronische Geräte ermöglichen.
Die Arbeit vereint zwei bisher unverbundene Gebiete: Quasikristalle und Twistronik. Letzteres wurde am MIT erst vor etwa fünf Jahren von Pablo Jarillo-Herrero, dem Cecil-und-Ida-Green-Professor für Physik am MIT und korrespondierenden Autor des Artikels, entwickelt.
„Es ist wirklich außergewöhnlich, dass das Gebiet der Twistronik immer wieder unerwartete Verbindungen zu anderen Bereichen der Physik und Chemie herstellt, in diesem Fall der wunderschönen und exotischen Welt der quasiperiodischen Kristalle“, sagt Jarillo-Herrero, der auch mit dem Materials Research Laboratory des MIT verbunden ist MIT-Forschungslabor für Elektronik.
Machen Sie die Drehung
Bei Twisttronics handelt es sich um atomar dünne, übereinander angeordnete Materialschichten. Durch Drehen oder Verdrehen einer oder mehrerer Schichten in einem leichten Winkel entsteht ein einzigartiges Muster, das als Moiré-Übergitter bezeichnet wird. Und ein Moiré-Muster wiederum hat Auswirkungen auf das Verhalten von Elektronen.
„Es verändert das Spektrum der Energieniveaus, die den Elektronen zur Verfügung stehen, und kann die Bedingungen für die Entstehung interessanter Phänomene schaffen“, sagt Sergio C. de la Barrera, einer von vier Co-Erstautoren der aktuellen Arbeit. De la Barrera, der die Arbeit als Postdoktorand am MIT durchführte, ist jetzt Assistenzprofessor an der University of Toronto.
Ein Moiré-System kann auch auf unterschiedliche Verhaltensweisen zugeschnitten werden, indem die Anzahl der dem System hinzugefügten Elektronen geändert wird. Infolgedessen ist das Gebiet der Twistronik in den letzten fünf Jahren explodiert, da Forscher auf der ganzen Welt es zur Herstellung neuer atomar dünner Quantenmaterialien eingesetzt haben. Beispiele allein vom MIT sind:
Auf dem Weg zu neuen Quasikristallen
In der aktuellen Arbeit bastelten die Forscher an einem Moiré-System aus drei Graphenschichten. Graphen besteht aus einer einzelnen Schicht von Kohlenstoffatomen, die in Sechsecken angeordnet sind und einer Wabenstruktur ähneln. In diesem Fall schichtete das Team drei Lagen Graphen übereinander, verdrehte jedoch zwei der Lagen in leicht unterschiedlichen Winkeln.
Zu ihrer Überraschung erzeugte das System einen Quasikristall, eine ungewöhnliche Materialklasse, die in den 1980er Jahren entdeckt wurde. Wie der Name schon sagt, liegen Quasikristalle irgendwo zwischen einem Kristall wie einem Diamanten, der eine sich regelmäßig wiederholende Struktur aufweist, und einem amorphen Material wie Glas, „wo die Atome alle durcheinander oder zufällig angeordnet sind“, sagt de la Barrera. Kurz gesagt, Quasikristalle „haben wirklich seltsame Muster“, sagt de la Barrera (siehe einige Beispiele). Hier).
Im Vergleich zu Kristallen und amorphen Materialien ist über Quasikristalle jedoch relativ wenig bekannt. Das liegt zum Teil daran, dass sie schwer herzustellen sind. „Das bedeutet nicht, dass sie uninteressant sind; es bedeutet nur, dass wir ihnen nicht so viel Aufmerksamkeit geschenkt haben, insbesondere ihren elektronischen Eigenschaften“, sagt de la Barrera. Die neue Plattform, die relativ einfach ist, könnte das ändern.
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Da die ursprünglichen Forscher keine Experten für Quasikristalle waren, wandten sie sich an jemanden, der es ist: Professor Ron Lifshitz von der Universität Tel Aviv. Aviram Uri, einer der Co-Erstautoren des Artikels und MIT Pappalardo- und VATAT-Postdoktorand, war während seines Grundstudiums in Tel Aviv Schüler von Lifshitz und wusste über seine Arbeit an Quasikristallen Bescheid. Lifshitz, der auch Autor des Nature-Artikels ist, half dem Team, besser zu verstehen, was sie betrachteten, was sie einen Moiré-Quasikristall nennen.
Anschließend optimierten die Physiker einen Moiré-Quasikristall, um ihn supraleitend zu machen oder unterhalb einer bestimmten niedrigen Temperatur Strom ohne Widerstand zu übertragen. Das ist wichtig, da supraleitende Geräte Strom viel effizienter durch elektronische Geräte übertragen könnten, als dies heute möglich ist. Das Phänomen ist jedoch noch nicht in allen Fällen vollständig verstanden. Das neue Moiré-Quasikristallsystem bietet eine neue Möglichkeit, es zu untersuchen.
Das Team fand auch Hinweise auf einen Symmetriebruch, ein weiteres Phänomen, das „uns sagt, dass die Elektronen sehr stark miteinander interagieren. Und als Physiker und Quantenmaterialwissenschaftler wollen wir, dass unsere Elektronen miteinander interagieren, denn dort geschieht die exotische Physik.“ “ sagt de la Barrera.
Am Ende „konnten wir durch Diskussionen über Kontinente hinweg diese Sache entschlüsseln, und jetzt glauben wir, dass wir die Vorgänge gut im Griff haben“, sagt Uri, obwohl er anmerkt, dass „wir das System noch nicht vollständig verstehen.“ Es gibt noch einige Geheimnisse.
Der beste Teil der Forschung bestand darin, „das Rätsel zu lösen, was wir eigentlich geschaffen hatten“, sagt de la Barrera. „Wir hatten es erwartet [something else]Daher war es eine sehr angenehme Überraschung, als uns klar wurde, dass wir tatsächlich etwas ganz Neues und Anderes vor uns hatten.
„Für mich ist es die gleiche Antwort“, sagt Uri.
Mehr Informationen:
Aviram Uri et al., Supraleitung und starke Wechselwirkungen in einem abstimmbaren Moiré-Quasikristall, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06294-z