Ultimate magazine theme for WordPress.

پیچ های بسیار کوچک را در گرافن با زاویه جادو ترسیم می کنند

0

پیچ های بسیار کوچک را در گرافن با زاویه جادو ترسیم می کنند 

پیچ های بسیار کوچک را در گرافن با زاویه جادو ترسیم می کنند
در این تصویر ، دو ورق گرافن با زاویه کمی جادویی “جادویی” روی هم قرار گرفته اند که می توانند به عنوان یک عایق یا ابررسانا تبدیل شوند. پابلو جاریلو-هررو ، استاد MIT می گوید: “ما یک ورق گرافن را روی دیگری قرار دادیم ، شبیه قرار دادن بسته بندی پلاستیکی در بالای بسته بندی پلاستیکی.” “شما انتظار دارید که چین و چروک هایی ایجاد شود و مناطقی که دو ورق کمی پیچ خورده باشد ، بعضی از آنها کمتر پیچ خورده باشد ، همانطور که در گرافن می بینیم.” اعتبار: خوزه-لوئیس اولیوارس ، MIT

پیچ های بسیار کوچک را در گرافن با زاویه جادو ترسیم می کنند ساختار گرافن از یک لایه اتم کربن پیوند یافته در الگوی لانه زنبوری شش ضلعی ساخته شده است ، ساده و به ظاهر ظریف است. از زمان کشف آن در سال ۲۰۰۴ ، دانشمندان دریافتند که گرافن در واقع فوق العاده قوی است. و گرچه گرافن یک فلز نیست ، اما برق را با سرعت فوق العاده بالا ، بهتر از اکثر فلزات ، هدایت می کند.

در سال ۲۰۱۸ ، دانشمندان MIT به سرپرستی پابلو جاریلو-هررو و یوان کائو کشف کردند که وقتی دو ورق گرافن با زاویه “جادو” کمی جابجا می شوند ، گرافن جدید “پیچ خورده” ساختار می تواند به یک عایق تبدیل شود و جریان برق را از طریق مواد به طور کامل مسدود کند ، یا به طور متناقضی ، یک ابررسانا ، قادر است الکترونها را بدون مقاومت پرواز کند. این یک کشف بزرگ بود که به راه اندازی یک زمینه جدید معروف به “twistronics” ، مطالعه رفتار الکترونی در گرافن پیچ خورده و سایر مواد کمک کرد.

اکنون تیم MIT در دو مقاله منتشر شده این هفته در ژورنال طبیعت آخرین پیشرفتهای خود را در زمینه گرافن توئیستونیک گزارش داده است.

در اولین مطالعه ، محققان به همراه همکاران م Instituteسسه علوم ویزمن ، برای اولین بار از کلی ساختار گرافن تاب خورده تصویربرداری و نقشه برداری کرده اند ، با وضوح بسیار کافی که قادر به مشاهده تغییرات بسیار جزئی در زاویه پیچش محلی در کل ساختار.

نتایج نشان داد مناطقی در ساختار وجود دارد که زاویه بین لایه های گرافن کمی از فاصله متوسط ​​۱٫۱ درجه فاصله گرفته است.

تیم این تغییرات را در وضوح فوق العاده زاویه ای ۰٫۰۰۲ درجه تشخیص داد. این معادل این است که بتوانید از یک مایل زاویه سیب را در برابر افق ببینید.

آنها دریافتند که ساختارهایی که دامنه باریک تری از تغییرات زاویه دارند دارای خصوصیات عجیب و غریب برجسته تری مانند عایق بندی و ابررسانایی در مقابل ساختارهایی با دامنه وسیع تر از زاویه پیچش هستند.

“جاریلو-هررو ، استاد فیزیک سیسیل و آیدا سبز در MIT می گوید:” این اولین بار است که یک دستگاه کل نقشه برداری می شود تا ببیند زاویه پیچش در یک منطقه مشخص در دستگاه چقدر است. “و ما می بینیم که شما می توانید کمی تغییر داشته باشید و همچنان ابررسانایی و سایر فیزیک های عجیب و غریب را نشان دهید ، اما این نمی تواند زیاد باشد. ما اکنون مشخص کرده ایم که چه مقدار تغییر پیچش می توانید داشته باشید ، و اثر تخریب چیست؟ داشتن بیش از حد. “

در مطالعه دوم ، تیم تحقیقاتی ایجاد یک ساختار گرافن پیچ خورده جدید را که دارای دو لایه گرافن نیست ، نشان می دهد. آنها مشاهده کردند که ساختار جدید چهار لایه ای با زاویه جادو نسبت به نمونه قبلی دو لایه خود نسبت به میدان های الکتریکی و مغناطیسی خاص حساس تر است. این نشان می دهد که محققان ممکن است بتوانند با سهولت و کنترل بیشتری خصوصیات عجیب و غریب گرافن با زاویه جادو را در سیستم های چهار لایه بررسی کنند.

“کائو” ، دانشجوی تحصیلات تکمیلی MIT می گوید: “این دو مطالعه به منظور درک بهتر رفتارهای گیج کننده دستگاههای twistronics با زاویه جادو است.” “هنگامی که این دانشمندان فهمیدند ، این دستگاه ها می توانند به طراحی و مهندسی نسل جدید ابررساناهای دمای بالا ، دستگاه های توپولوژیک برای پردازش اطلاعات کوانتومی و فناوری های کم انرژی کمک کنند.”

مانند چین و چروک های بسته بندی پلاستیکی

از زمانی که جاریلو-هررو و گروهش گرافن با زاویه جادو را کشف کردند ، دیگران در فرصتی برای مشاهده و اندازه گیری خصوصیات آن پریدند. چندین گروه با استفاده از میکروسکوپ تونلینگ روبشی یا STM ، تکنیکی که یک سطح را در سطح اتمی اسکن می کند ، دارای ساختارهای زاویه جادویی هستند. با این حال ، محققان فقط با استفاده از این روش توانسته اند تکه های کوچکی از گرافن با زاویه جادو را اسکن کنند ، حداکثر در حدود چند صد نانومتر مربع.

جاریلو-هررو می گوید: “جستجوی بیش از یک ساختار در مقیاس میکرون برای بررسی میلیون ها اتم چیزی است که STM برای آن مناسب نیست.” “در اصل می توان این کار را انجام داد ، اما زمان زیادی را صرف می کند.”

بنابراین این گروه با محققان م Instituteسسه علوم ویزمن ، که یک تکنیک اسکن را به نام “اسکن نانو-SQUID” ، جایی که SQUID مخفف Superconducting Quantum Interference Device است ، توسعه داده بودند. SQUID های معمولی شبیه یک حلقه دو نیم شده کوچک هستند که دو نیمه آن از مواد ابررسانا ساخته شده و توسط دو اتصال به یکدیگر متصل شده اند. در اطراف نوک دستگاهی مشابه STM قرار بگیرید ، یک SQUID می تواند میدان مغناطیسی نمونه ای را که از حلقه عبور می کند در مقیاس میکروسکوپی اندازه گیری کند. محققان موسسه Weizmann طراحی SQUID را کاهش دادند تا میدان های مغناطیسی را در مقیاس نانو حس کنند.

هنگامی که گرافن با زاویه جادو در یک میدان مغناطیسی کوچک قرار می گیرد ، به دلیل تشکیل آنچه که به عنوان “سطح لاندو” شناخته می شود ، جریان های مداوم در سراسر ساختار ایجاد می کند. این سطح لاندائو و از این رو جریانهای پایدار ، به زاویه پیچش محلی بسیار حساس هستند ، به عنوان مثال ، در نتیجه یک میدان مغناطیسی با اندازه متفاوت ، بسته به مقدار دقیق زاویه تابش محلی ، ایجاد می شود. به این ترتیب ، تکنیک nano-SQUID می تواند مناطقی را با جابجایی های کوچک از ۱٫۱ درجه تشخیص دهد.

“جاریلو-هررو می گوید:” این یک روش شگفت انگیز است که می تواند تغییرات زاویه کوچک ۰٫۰۰۲ درجه را از ۱٫۱ درجه دور کند. “این برای نقشه برداری از گرافن با زاویه جادو بسیار خوب بود.”

گروه از این روش برای ترسیم دو ساختار با زاویه جادو استفاده کردند: یکی با دامنه باریک از تغییرات پیچشی و دیگری با دامنه وسیع تر.

“جاریلو-هررو می گوید:” ما یک ورق گرافن را روی دیگری قرار دادیم ، شبیه قرار دادن بسته بندی پلاستیکی در بالای بسته بندی پلاستیکی. “شما انتظار دارید که چین و چروک هایی ایجاد شود و مناطقی که دو ورق کمی پیچ خورده باشد ، بعضی از آنها کمتر پیچ خورده باشد ، همانطور که در گرافن می بینیم.”

آنها دریافتند که ساختار با دامنه باریک تر از تغییرات پیچشی دارای خصوصیات بارزتری از فیزیک عجیب و غریب ، مانند ابررسانایی است ، در مقایسه با ساختار با تغییرات پیچشی بیشتر. کائو می گوید: “اکنون که می توانیم مستقیماً این تغییرات پیچشی محلی را ببینیم ، ممکن است جالب باشد که نحوه ایجاد تغییرات در زوایای پیچش برای دستیابی به فازهای مختلف کوانتومی در دستگاه جالب است.”

فیزیک قابل تنظیم

طی دو سال گذشته ، محققان با پیکربندی های مختلف گرافن و سایر مواد آزمایش کرده اند تا ببینند که آیا پیچاندن آنها در زوایای خاص باعث بروز رفتارهای بدنی عجیب و غریب می شود. گروه جاریلو-هررو تعجب کردند که آیا اگر گرافن با زاویه جادو ، ساختار جذاب را افزایش دهد ، نه دو ، بلکه چهار لایه گرافن را جبران می کند؟

از زمان کشف گرافن تقریباً ۱۵ سال پیش ، اطلاعات زیادی در مورد خصوصیات آن فاش شده است ، نه فقط به عنوان یک صفحه ، بلکه به صورت لایه ای و هم ردیف در چندین لایه قرار گرفته است – پیکربندی مشابه آنچه در گرافیت پیدا می کنید ، یا سرب مداد. Jarillo-Herrero می گوید: “گرافن Bilayer – دو لایه با زاویه ۰ درجه از یکدیگر – سیستمی است که ما ویژگی های آن را به خوبی درک می کنیم.” “محاسبات نظری نشان داده است که در یک ساختار دو لایه در لایه های بالاتر از دو لایه ، دامنه زاویه هایی که فیزیک جالب روی آنها رخ می دهد بیشتر است. بنابراین این نوع ساختار ممکن است از نظر ساخت دستگاه ها بخشنده تر باشد.”

تا حدودی با الهام از این امکان نظری ، محققان ساختاری جدید با زاویه جادو ساختند و یک لایه دو لایه گرافن را با دو لایه دیگر با ۱٫۱ درجه جبران کردند. آنها سپس ساختار پیچ خورده جدید “دو لایه” را به یک باتری متصل کردند ، ولتاژ اعمال کردند و جریان را که از طریق دستگاه جریان داشت اندازه گیری کردند زیرا آنها ساختار را تحت شرایط مختلف قرار می دهند ، مانند میدان مغناطیسی ، و یک میدان الکتریکی عمود.

درست مانند ساختارهای زاویه جادویی که از دو لایه گرافن ساخته شده اند ، ساختار چهار لایه جدید نیز یک رفتار عایق بندی عجیب و غریب را نشان می دهد. اما به طور منحصر به فرد ، محققان توانستند این خاصیت عایق را بالا و پایین با یک میدان الکتریکی تنظیم کنند – چیزی که با گرافن زاویه جادویی دو لایه امکان پذیر نیست.

“این سیستم بسیار قابل تنظیم است ، به این معنی که ما کنترل زیادی داریم ، که به ما امکان می دهد چیزهایی را که نمی توانیم با تک لایه لایه-جادویی درک کنیم گرافن .

“جاریلو-هررو” می گوید: “این زمینه هنوز خیلی زود است.” “برای لحظه ای ، جامعه فیزیک فقط شیفته پدیده های آن است. مردم تصور می کنند که چه نوع دستگاه هایی را می توانیم بسازیم اما متوجه می شوند که هنوز خیلی زود است و ما هنوز چیزهای زیادی در مورد این سیستم ها نداریم.”

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.