Физики превратили стержень карандаша в метафорическое «золото»

 Физики и их коллеги из Массачусетского технологического института метафорически превратили графит или грифель карандаша в золото, изолировав пять ультратонких чешуек, сложенных в определенном порядке. Полученный материал затем можно настроить так, чтобы он проявлял три важных свойства, никогда ранее не встречавшихся в природном графите.

Художественное представление электронной корреляции или способности электронов общаться друг с другом, которая может возникать в особом виде графита (грифеле карандаша). (Фото: phys.org)

«Это что-то вроде комплексного покупки», — говорит Лун Цзюй, доцент кафедры физики Массачусетского технологического института и руководитель работы. «В данном случае мы так и не осознали, что все эти интересные вещи заключены в графит».

Далее он говорит: «Очень редко можно найти материалы, которые могут обладать таким количеством свойств».

Графит состоит из графена, который представляет собой один слой атомов углерода, расположенных в шестиугольниках, напоминающих сотовую структуру. Графен, в свою очередь, находился в центре интенсивных исследований с момента его первого выделения около 20 лет назад. Затем, около пяти лет назад, исследователи, в том числе команда из Массачусетского технологического института, обнаружили, что укладка отдельных листов графена и скручивание их под небольшим углом друг к другу может придать материалу новые свойства — от сверхпроводимости до магнетизма. Зародилась область «твистроникс».

В текущей работе «мы обнаружили интересные свойства вообще без скручивания», — говорит Цзюй, который также является сотрудником Лаборатории исследования материалов.

Он и его коллеги обнаружили, что пять слоев графена, расположенных в определенном порядке, позволяют электронам, перемещающимся внутри материала, разговаривать друг с другом. Это явление, известное как электронная корреляция, «является магией, которая делает возможными все эти новые свойства», — говорит Джу.

Массивный графит — и даже отдельные листы графена — являются хорошими электрическими проводниками, но не более того. Материал, выделенный Джу и его коллегами, который они называют пятислойным ромбоэдрическим сложенным графеном, становится гораздо большим, чем просто сумма его частей.

Новый микроскоп

Ключом к выделению материала стал новый микроскоп Ju, построенный в Массачусетском технологическом институте в 2021 году, который может быстро и относительно недорого определять множество важных характеристик материала на наноуровне. Пятислойный ромбоэдрический сложенный графен имеет толщину всего несколько миллиардных долей метра.

Ученые, включая Джу, искали многослойный графен, уложенный в очень точном порядке, известном как ромбоэдрическая укладка. По словам Джу, «при пяти слоях существует более 10 возможных порядков укладки. Ромбоэдрический — лишь один из них». Созданный Джу микроскоп, известный как сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия рассеянного типа, или s-SNOM, позволил ученым идентифицировать и изолировать только пентаслои в интересующем их ромбоэдрическом порядке укладки.

Три в одном

Оттуда команда прикрепила электроды к крошечному сэндвичу, состоящему из «хлеба» нитрида бора, который защищает нежное «мясо» пятислойного ромбоэдрического графена. Электроды позволили им настроить систему на различные напряжения или количества электричества. Результат: они обнаружили возникновение трех различных явлений в зависимости от количества электронов, наводняющих систему.

«Мы обнаружили, что материал может быть изоляционным, магнитным или топологическим», — говорит Джу. Последнее в некоторой степени связано как с проводниками, так и с изоляторами. По сути, объясняет Джу, топологический материал допускает беспрепятственное движение электронов по краям материала, но не через середину. Электроны движутся в одном направлении по «шоссе» на краю материала, разделенном медианой, составляющей центр материала. Таким образом, край топологического материала является идеальным проводником, а центр — изолятором.

«Наша работа превращает ромбоэдрический многослойный графен в легко настраиваемую платформу для изучения этих новых возможностей сильно коррелированной и топологической физики», — заключают Джу и его соавторы.

Помимо Цзюя, авторами статьи являются Тонхан Хан и Чжэнгуан Лу. Хан — аспирант физического факультета; Лу — научный сотрудник Лаборатории исследования материалов. Они оба являются соавторами статьи.

Источник