Một nền tảng linh hoạt mới có thể tạo ra những vật liệu bí ẩn và dẫn đến những nghiên cứu mới về các hiện tượng kỳ lạ.

Trong nghiên cứu có thể thu hút sự quan tâm đến một loại vật liệu bí ẩn được gọi là giả tinh thể, Viện Công nghệ Massachusetts Các nhà khoa học và đồng nghiệp đã phát hiện ra một phương pháp tương đối đơn giản và linh hoạt để tạo ra các phiên bản mỏng nguyên tử mới có thể điều chỉnh để phù hợp với các hiện tượng quan tâm. Trong công trình được đăng trên tạp chí số mới nhất thiên nhiênhọ mô tả việc làm như vậy là để làm cho vật liệu thể hiện tính siêu dẫn và hơn thế nữa.

Nghiên cứu này cung cấp một nền tảng mới không chỉ để tìm hiểu thêm về giả tinh thể mà còn khám phá những hiện tượng kỳ lạ có thể khó nghiên cứu nhưng có thể dẫn đến những ứng dụng quan trọng và nền vật lý mới. Ví dụ, hiểu rõ hơn về tính siêu dẫn, trong đó các electron truyền qua vật liệu mà không có điện trở, có thể cho phép tạo ra các thiết bị điện tử hiệu quả hơn.

Hình ảnh một giả tinh thể moiré (cột giữa) được tạo ra bởi ba tấm graphene mỏng nguyên tử chồng lên nhau. Tín dụng: Sergio C. De la Barrera/Đại học Toronto

Twisttronics và sự liên kết của nó với giả tinh thể

Công việc này tập hợp hai lĩnh vực chưa được kết nối trước đây: giả tinh thể và điện tử xoắn. Sau này là chuyên ngành của Pablo Jarillo Herrero, Giáo sư Vật lý Cecil và Ida Green tại MIT và là tác giả tương ứng của cuốn sách mới thiên nhiên Sự đột phá của graphene ở “góc thần kỳ” vào năm 2018 đã thúc đẩy lĩnh vực này.

Jarillo-Herrero, người cũng liên kết với Phòng Nghiên cứu Vật liệu của MIT, cho biết: “Thật là phi thường khi lĩnh vực điện tử chirus tiếp tục tạo ra những kết nối bất ngờ với các lĩnh vực vật lý và hóa học khác, trong trường hợp này là thế giới đẹp đẽ và kỳ lạ của các tinh thể quas Periodic”. Phòng thí nghiệm và MIT.”. Phòng thí nghiệm nghiên cứu điện tử MIT.

Những phát triển đáng chú ý trong Twisttronics

Công nghệ Twisttronics bao gồm các lớp vật liệu mỏng xếp chồng lên nhau. Xoay hoặc xoắn một hoặc nhiều lớp ở một góc nhỏ sẽ tạo ra một mẫu độc đáo gọi là lưới siêu moiré. Ngược lại, mẫu moiré lại có ảnh hưởng đến hoạt động của các electron. Sergio C nói: De la Barrera, một trong bốn đồng tác giả của nghiên cứu gần đây cho biết: “Nó thay đổi phổ mức năng lượng có sẵn cho các electron và có thể tạo điều kiện cho các hiện tượng thú vị xuất hiện”. De la Barrera, người thực hiện công việc này với tư cách là một postdoc tại MIT, hiện là trợ lý giáo sư tại Đại học Toronto.

Aviram Uri (trái) và Sergio C. De la Barrera là thành viên của một nhóm đã chiết xuất chất siêu dẫn từ một loại vật liệu ít người biết đến gọi là giả tinh thể. Uri là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ và Pappalardo về VAT tại MIT; De la Barrera là trợ lý giáo sư tại Đại học Toronto. Nhà cung cấp hình ảnh: Eva Cheung/Đại học Toronto

Một hệ thống moiré cũng có thể được thiết kế cho các hành vi khác nhau bằng cách thay đổi số lượng electron được thêm vào hệ thống. Kết quả là, lĩnh vực điện tử chirus đã chứng kiến ​​sự phát triển vượt bậc trong 5 năm qua, với các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới áp dụng nó để tạo ra vật liệu lượng tử mỏng nguyên tử mới. Ví dụ từ riêng MIT bao gồm:

• Chuyển đổi vật liệu moire được gọi là lớp xoắn hai góc ma thuật Graphene thành ba thiết bị điện tử khác nhau và hữu ích. (Trong số các nhà khoa học tham gia vào công trình này, được báo cáo vào năm 2021, có Daniel Rodin-Legren, đồng tác giả đầu tiên của công trình hiện tại và là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ về vật lý của MIT. Họ do Jarilo Herrero dẫn đầu.)
• Kỹ thuật một sản phẩm mới, quang điện, thành một dòng sản phẩm nổi tiếng Chất bán dẫn. (Các nhà khoa học tham gia vào công việc này, Báo cáo vào năm 2021do Jarillo Herrero dẫn đầu.)
• Dự đoán các hiện tượng từ tính mới và lạ, kèm theo “công thức” để đạt được chúng. (Các nhà khoa học tham gia vào công việc này, Báo cáo vào năm 2023, bao gồm giáo sư vật lý MIT Liang Fu và Nisarja Paul, một sinh viên tốt nghiệp vật lý MIT. Cả Fu và Paul đều là đồng tác giả của bài báo hiện tại.)

Ra mắt giả tinh thể

Trong nghiên cứu hiện tại, các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu một hệ thống moiré làm từ ba tấm graphene. Graphene bao gồm một lớp nguyên tử carbon được sắp xếp theo hình lục giác giống như cấu trúc tổ ong. Trong trường hợp này, nhóm nghiên cứu xếp ba lớp graphene chồng lên nhau nhưng xoắn hai tấm ở các góc hơi khác nhau.

Trước sự ngạc nhiên của họ, hệ thống này đã tạo ra thứ trông giống như tinh thể, một loại vật liệu đặc biệt được phát hiện vào những năm 1980. Như tên cho thấy, giả tinh thể rơi ở đâu đó giữa một tinh thể, chẳng hạn như kim cương, có cấu trúc lặp lại đều đặn và một vật liệu vô định hình, chẳng hạn như thủy tinh, “nơi mà tất cả các nguyên tử được trộn lẫn hoặc sắp xếp ngẫu nhiên,” de la nói. Barrera. Tóm lại, de la Barrera nói rằng giả tinh thể “có những kiểu mẫu thực sự kỳ lạ” (xem một số ví dụ đây).

Tuy nhiên, so với tinh thể và vật liệu vô định hình, người ta biết rất ít về giả tinh thể. Điều này một phần là do chúng khó thực hiện. de la Barrera nói: “Điều đó không có nghĩa là nó không thú vị, mà có nghĩa là chúng ta chưa chú ý nhiều đến nó, đặc biệt là các đặc tính điện tử của nó”. Nền tảng mới, tương đối đơn giản có thể thay đổi điều đó.

Thêm thông tin chi tiết và hợp tác

Bởi vì các nhà nghiên cứu ban đầu không phải là chuyên gia về giả tinh thể nên họ đã liên hệ với một người: Giáo sư Ron Lifshitz của Đại học Tel Aviv. Aviram Uri, một trong những đồng tác giả đầu tiên của bài báo và là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ của Pappalardo và Vatat MIT, là sinh viên của Lifshitz trong thời gian học đại học ở Tel Aviv và đã biết về công trình của ông về giả tinh thể. Lifshitz, đồng thời là tác giả của thiên nhiên Bài báo đã giúp nhóm nghiên cứu hiểu rõ hơn về những gì họ đang quan sát, cái mà họ gọi là moiré tựa tinh thể.

Tiếp theo, các nhà vật lý đã tinh chỉnh giả tinh thể moiré để làm cho nó siêu dẫn, hay dẫn dòng điện mà không có bất kỳ điện trở nào dưới một nhiệt độ thấp nhất định. Điều này quan trọng vì các thiết bị siêu dẫn có thể truyền dòng điện qua các thiết bị điện tử hiệu quả hơn nhiều so với khả năng hiện nay, nhưng hiện tượng này vẫn chưa được hiểu đầy đủ trong mọi trường hợp. Hệ quasitinh thể sóng mới cung cấp một phương pháp mới để nghiên cứu nó.

Đội nghiên cứu còn tìm thấy bằng chứng về sự phá vỡ đối xứng, một hiện tượng khác “cho chúng ta biết rằng các electron đang tương tác với nhau rất mạnh”. de la Barrera nói: “Là nhà vật lý lượng tử và nhà khoa học vật liệu, chúng tôi muốn các electron của mình tương tác với nhau vì đó là nơi xảy ra vật lý kỳ lạ”.

Cuối cùng, “thông qua các cuộc thảo luận xuyên lục địa, chúng tôi đã có thể giải mã được thứ này và bây giờ chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi có thể kiểm soát tốt những gì đang xảy ra,” Urey nói, mặc dù ông lưu ý rằng “chúng tôi vẫn chưa hiểu đầy đủ về hệ thống.” .” . Vẫn còn khá nhiều điều bí ẩn.”

De la Barrera cho biết, phần hay nhất của nghiên cứu là “giải được câu đố về những gì chúng tôi thực sự đã tạo ra”. “Chúng tôi đã mong đợi [something else]Vì vậy, thật là một sự ngạc nhiên thú vị khi chúng tôi nhận ra rằng chúng tôi thực sự đang nhìn thấy một điều gì đó rất mới mẻ và khác biệt.

“Tôi cũng có câu trả lời tương tự,” Urey nói.

Tham khảo: “Tính siêu dẫn và tương tác mạnh trong giả tinh thể moiré có thể điều chỉnh được” của Aviram Uri, Sergio C. de la Barrera và Malika T. Randrea, Daniel Rodin-Legren, Trip Devakul, Philip J.D. Crowley, Nisarja Paul, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Ron Lifshitz, Liang Fu, Raymond C. Ashuri, Pablo Jarillo Herrero, ngày 19 tháng 7 năm 2023, thiên nhiên.
doi: 10.1038/s41586-023-06294-z

Các tác giả bổ sung cho thiên nhiên Bài báo của giáo sư vật lý MIT Raymond C. Ashouri; Malika T. Randrea, nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm MIT Lincoln, người đã thực hiện nghiên cứu này với tư cách là thành viên Pappalardo tại MIT và là đồng tác giả đầu tiên của bài báo này; Trithip Devakul, trợ lý giáo sư tại Đại học Stanford, người thực hiện công việc này với tư cách là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại MIT; Philip J.D. Crowley, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Harvard; và Kenji Watanabe và Takashi Taniguchi thuộc Viện Khoa học Vật liệu Quốc gia Nhật Bản.

Công trình này được tài trợ bởi Văn phòng Nghiên cứu Quân đội Hoa Kỳ, Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ, Quỹ Gordon và Betty Moore, Học bổng Pappalardo của MIT, Học bổng Sau Tiến sĩ Xuất sắc của VATAT về Khoa học và Công nghệ Lượng tử, JSPS KAKENHI và Quỹ Khoa học Israel.