Твистроникс
Твистроника (от «твист» и «электроника» ) — это исследование того, как угол (поворот) между слоями двумерных материалов может изменить их электрические свойства. [1] [2] такие материалы, как двухслойный графен, Было показано, что имеют совершенно разное электронное поведение: от непроводящего до сверхпроводящего , которое сильно зависит от угла между слоями. [3] [4] Этот термин был впервые введен исследовательской группой Эфтимиоса Кашираса из Гарвардского университета при теоретическом рассмотрении графеновых сверхрешеток. [1] [5]
История
[ редактировать ]В 2007 году физик Национального университета Сингапура Антонио Кастро Нето выдвинул гипотезу, что сжатие двух смещенных друг к другу листов графена может привести к новым электрическим свойствам, и отдельно предположил, что графен может открыть путь к сверхпроводимости, но он не объединил эти две идеи. [4] В 2010 году исследователи из лаборатории Евы Андрей в Университете Рутгерса в Пискатауэе, штат Нью-Джерси, обнаружили скрученный двухслойный графен благодаря его определяющему муаровому рисунку и продемонстрировали, что угол скручивания оказывает сильное влияние на зонную структуру, измеряя сильно перенормированные особенности Ван Хова. [6] Также в 2010 году исследователи из Технического университета Федерико Санта-Мария в Чили обнаружили, что при определенном угле, близком к 1 градусу, полоса электронной структуры скрученного двухслойного графена становится совершенно плоской, [7] и из-за этого теоретического свойства они предположили, что коллективное поведение возможно. В 2011 году Аллан Макдональд (из Техасского университета в Остине ) и Рафи Бистрицер, используя простую теоретическую модель, обнаружили, что для ранее найденного «магического угла» количество энергии, которое потребуется свободному электрону для туннелирования между двумя листами графена, радикально меняется. [8] В 2017 году исследовательская группа Эфтимиоса Кашираса из Гарвардского университета использовала подробные расчеты квантовой механики, чтобы уменьшить неопределенность в угле закручивания между двумя слоями графена, который может вызвать необычное поведение электронов в этой двумерной системе. [1] В 2018 году Пабло Харильо-Эрреро , экспериментатор из Массачусетского технологического института , обнаружил, что магический угол привел к необычным электрическим свойствам, которые Аллан Макдональд и Рафи Бистрицер . предсказывали [9] При вращении на 1,1 градуса при достаточно низких температурах электроны перемещаются из одного слоя в другой, создавая решетку и явление сверхпроводимости. [10]
Публикация этих открытий породила множество теоретических статей, стремящихся понять и объяснить явления. [11] а также многочисленные эксперименты [3] используя различное количество слоев, углы скручивания и другие материалы. [4] [12] Последующие работы показали, что электронные свойства стопки также могут сильно зависеть от гетеронапряжений, особенно вблизи магического угла. [13] [14] что дает возможность потенциального применения в стрейнтронике .
Характеристики
[ редактировать ]
Сверхпроводимость и изоляция
[ редактировать ]Теоретические предсказания сверхпроводимости были подтверждены Пабло Харильо-Эрреро и его студентом Юанем Цао из Массачусетского технологического института , а также коллегами из Гарвардского университета и Национального института материаловедения в Цукубе , Япония. В 2018 году они подтвердили, что сверхпроводимость существует в двухслойном графене , где один слой повернут на угол 1,1 ° относительно другого, образуя муаровый узор , при температуре 1,7 К (-271,45 ° C; -456,61 ° F). [2] [15] [16] Они создали два двухслойных устройства, которые действовали как изолятор, а не проводник без магнитного поля. Увеличение напряженности поля превратило второе устройство в сверхпроводник.
Дальнейшим достижением твистроники является открытие метода включения и выключения сверхпроводящих путей путем применения небольшого перепада напряжения. [17]
Гетероструктуры
[ редактировать ]Также проводились эксперименты с использованием комбинаций слоев графена с другими материалами, образующими гетероструктуры в виде атомарно тонких листов, удерживаемых вместе слабой силой Ван-дер-Ваальса . [18] Например, исследование, опубликованное в журнале Science в июле 2019 года, показало, что при добавлении решетки нитрида бора между двумя листами графена уникальные орбитальные ферромагнитные возникают эффекты под углом 1,17°, которые можно использовать для реализации памяти в квантовых компьютерах . [19] Дальнейшие спектроскопические исследования скрученного двухслойного графена выявили сильные электрон-электронные корреляции под магическим углом. [20]
Электронная лужа
[ редактировать ]Между двумерными слоями селенида висмута и дихалькогенида исследователи из Северо-Восточного университета в Бостоне обнаружили, что при определенных степенях скручивания между двумя двумерными элементарными слоями образуется новый слой решетки, состоящий только из чистых электронов. [21] Квантовые и физические эффекты выравнивания между двумя слоями, по-видимому, создают области «луж», которые захватывают электроны в стабильную решетку. Поскольку эта стабильная решетка состоит только из электронов, это первая наблюдаемая неатомная решетка, которая открывает новые возможности для удержания, контроля, измерения и транспортировки электронов.
Ферромагнетизм
[ редактировать ]Было показано, что трехслойная конструкция, состоящая из двух слоев графена и двумерного слоя нитрида бора, обладает сверхпроводимостью, изоляцией и ферромагнетизмом. [22] В 2021 году это было достигнуто на единственной чешуйке графена. [23]
См. также
[ редактировать ]- Стрейнтроника - метод изменения свойств двумерных материалов путем введения контролируемого напряжения.
- Спинтроника - исследование собственного спина электрона . и связанного с ним магнитного момента в твердотельных устройствах
- Valleytronics - исследование локальных экстремумов, впадин в электронной зонной структуре полупроводников .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с Карр, Стивен; Массатт, Дэниел; Фанг, Шианг; Казо, Поль; Лускин, Митчелл; Каширас, Эфтимиос (17 февраля 2017 г.). «Твистроника: управление электронными свойствами двумерных слоистых структур посредством угла их закручивания». Физический обзор B . 95 (7): 075420. arXiv : 1611.00649 . Бибкод : 2017PhRvB..95g5420C . doi : 10.1103/PhysRevB.95.075420 . S2CID 27148700 .
- ^ Перейти обратно: а б Харильо-Эрреро, Пабло; Каширас, Эфтимиос; Танигучи, Такаши; Ватанабэ, Кендзи; Фанг, Шианг; Фатеми, Валла; Цао, Юань (06 марта 2018 г.). «Графеновые сверхрешетки с магическим углом: новая платформа для нетрадиционной сверхпроводимости». Природа . 556 (7699): 43–50. arXiv : 1803.02342 . дои : 10.1038/nature26160 . ПМИД 29512651 . S2CID 4655887 .
- ^ Перейти обратно: а б Гибни, Элизабет (2 января 2019 г.). «Как графен под «магическим углом» влияет на физику» . Природа . 565 (7737): 15–18. Бибкод : 2019Natur.565...15G . дои : 10.1038/d41586-018-07848-2 . ПМИД 30602751 .
- ^ Перейти обратно: а б с Фридман, Дэвид Х. (30 апреля 2019 г.). «Как скрученный графен стал большой вещью в физике» . Журнал Кванта . Проверено 5 мая 2019 г.
- ^ Трицарис, Георгиос А.; Карр, Стивен; Чжу, Зиян; Се, Ици; Торриси, Стивен Б.; Тан, Цзин; Маттеакис, Мариос; Ларсон, Дэниел; Каширас, Эфтимиос (30 января 2020 г.). «Расчеты электронной структуры скрученных многослойных графеновых сверхрешеток». 2D материалы . 7 (3): 035028. arXiv : 2001.11633 . Бибкод : 2020TDM.....7c5028T . дои : 10.1088/2053-1583/ab8f62 . S2CID 211004085 .
- ^ Ли, Гохун; Луикан, А.; Лопес душ Сантуш, JMB; Кастро Нето, АХ; Рейна, А.; Конг, Дж.; Андрей, EY (февраль 2010 г.). «Наблюдение особенностей Ван Хова в скрученных слоях графена». Физика природы . 6 (2): 109–113. arXiv : 0912.2102 . Бибкод : 2010NatPh...6..109L . дои : 10.1038/nphys1463 .
- ^ Суарес Морелл, Э.; Корреа, доктор медицинских наук; Варгас, П.; Пачеко, М.; Бартичевич, З. (13 сентября 2010 г.). «Плоские полосы в слегка скрученном двухслойном графене: расчеты с жесткой связью». Физический обзор B . 82 (12): 121407. arXiv : 1012.4320 . Бибкод : 2010PhRvB..82l1407S . дои : 10.1103/PhysRevB.82.121407 . hdl : 10533/144840 . S2CID 117926220 .
- ^ Бистрицер, Рафи; Макдональд, Аллан Х. (26 июля 2011 г.). «Полосы Муара в скрученном двухслойном графене» . Труды Национальной академии наук . 108 (30): 12233–12237. arXiv : 1009.4203 . Бибкод : 2011PNAS..10812233B . дои : 10.1073/pnas.1108174108 . ПМК 3145708 . ПМИД 21730173 .
- ^ Цао, Юань; Фатеми, Валла; Фанг, Шианг; Ватанабэ, Кендзи; Танигучи, Такаши; Каширас, Эфтимиос; Харильо-Эрреро, Пабло (5 марта 2018 г.). «Нетрадиционная сверхпроводимость в графеновых сверхрешетках с магическим углом». Природа . 556 (7699): 43–50. arXiv : 1803.02342 . Бибкод : 2018Natur.556...43C . дои : 10.1038/nature26160 . ПМИД 29512651 . S2CID 4655887 .
- ^ Чанг, Кеннет (30 октября 2019 г.). «Новый поворот в графене заставляет ученых-материаловиков горячиться под воротником» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 29 сентября 2020 г.
- ^ Фридман, Дэвид Х. (28 мая 2019 г.). «В чем секрет «волшебного» угла графена?» . Журнал Кванта . Проверено 28 мая 2019 г.
- ^ «Эксперименты раскрывают тайны «магических» угловых сверхпроводников» . Физика.орг . 31 июля 2019 г. Проверено 31 июля 2019 г.
- ^ Би, Чжэнь; Юань, Ной, FQ; Фу, Лян (31 июля 2019 г.). «Проектирование плоских лент деформацией» . Физический обзор B . 100 (3): 035448. arXiv : 1902.10146 . Бибкод : 2019PhRvB.100c5448B . doi : 10.1103/PhysRevB.100.035448 . hdl : 1721.1/135558 .
- ^ Меспле, Флори; Миссауи, Ахмед; Сеа, Томмазо; Худер, Лоик; Гвинея, Франциско; Трамбли де Лессардьер, Ги; Шапелье, Клод; Ренард, Винсент Т. (17 сентября 2021 г.). «Гетеронапряжение определяет плоские полосы в слоях графена, скрученных под магическим углом». Письма о физических отзывах . 127 (12): 126405. arXiv : 2012.02475 . Бибкод : 2021PhRvL.127l6405M . doi : 10.1103/PhysRevLett.127.126405 . ПМИД 34597066 . S2CID 227305789 .
- ^ Цао, Юань; Фатеми, Валла; Демир, Ахмет; Фанг, Шианг; Томаркен, Спенсер Л.; Луо, Джейсон Ю.; Санчес-Ямагиши, Хавьер Д.; Ватанабэ, Кендзи; Танигучи, Такаши; Каширас, Эфтимиос; Ашури, Рэй С.; Харильо-Эрреро, Пабло (5 апреля 2018 г.). «Коррелированное поведение изолятора при половинном заполнении графеновых сверхрешеток с магическим углом». Природа . 556 (7699): 80–84. arXiv : 1802.00553 . Бибкод : 2018Natur.556...80C . дои : 10.1038/nature26154 . ПМИД 29512654 . S2CID 4601086 .
- ^ Ван, Брайан (07 марта 2018 г.). «Сверхрешетки графена можно использовать для изготовления сверхпроводящих транзисторов» . NextBigFuture.com . Проверено 3 мая 2019 г.
- ^ «Извращенная физика: графен под магическим углом создает переключаемые модели сверхпроводимости» . физ.орг . 30 октября 2019 года . Проверено 6 февраля 2020 г.
- ^ Университет Шеффилда (6 марта 2019 г.). «1 + 1 не равно 2 для графеноподобных двумерных материалов» . физ.орг . Проверено 1 августа 2019 г.
- ^ Тан, Кер (26 июля 2019 г.). «Физики открыли новый квантовый трюк с графеном: магнетизм» . физ.орг . Проверено 27 июля 2019 г.
- ^ Шерер, Матиас С. (31 июля 2019 г.). «Спектроскопия графена с волшебным поворотом» . Природа . 572 (7767): 40–41. Бибкод : 2019Natur.572...40S . дои : 10.1038/d41586-019-02285-1 . ПМИД 31367024 .
- ^ Кастаньон, Лаура (27 февраля 2020 г.). «Физики, возможно, случайно открыли новое состояние материи» . Физика.орг . Проверено 27 февраля 2020 г.
- ^ «Талантливый 2D-материал получает новое применение» . Физика.орг . 4 марта 2020 г. . Проверено 04 марта 2020 г.
- ^ Ирвинг, Майкл (06 мая 2021 г.). «Магический угол делает графен одновременно сверхпроводящим и изолирующим» . Новый Атлас . Проверено 9 мая 2021 г.
