“Gouden regels” voor het construeren van atoommassa’s

Het klokmodel toont de rotatie-uitlijning tussen de uurwijzer (bovenste hBN), minutenwijzer (middelste grafeen) en secondewijzer (onderste hBN). De combinatie van het bovenste hBN, het middelste grafeen en het onderste hBn resulteert in een supergegolfde roosterstructuur in het midden van het horloge. Krediet: Nationale Universiteit van Singapore

Natuurkundigen hebben een techniek ontwikkeld om ultragolvende roosters nauwkeurig uit te lijnen, wat een revolutie teweegbrengt in de mogelijkheid van golvende kwantummaterie van de volgende generatie.

Natuurkundigen van de Nationale Universiteit van Singapore (NUS) hebben een techniek ontwikkeld om de uitlijning van golvende superroosters nauwkeurig te controleren met behulp van een reeks gouden regels, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor de volgende generatie golvende kwantummaterie.

Supermoiré-klemmen

Moiré-patronen worden gevormd wanneer twee identieke periodieke structuren over elkaar worden gelegd met een relatieve torsiehoek ertussen, of twee verschillende periodieke structuren, maar over elkaar heen worden gelegd met of zonder een torsiehoek ertussen. De torsiehoek is de hoek tussen de kristallografische oriëntaties van de twee structuren. Wanneer bijvoorbeeld Grafeen Hexagonaal boornitride (hBN) is een gelaagd materiaal dat op elkaar is gestapeld, en de atomen in de twee structuren liggen niet perfect op één lijn, waardoor een patroon van interferentieranden ontstaat, een zogenaamde moiré-patroon. Dit leidt tot elektronische reconstructie.

Het moirépatroon in grafeen en hBN is gebruikt om nieuwe structuren met exotische eigenschappen te creëren, zoals topologische stromingen en Hofstadter-vlindertoestanden. Wanneer twee moirépatronen op elkaar worden gestapeld, ontstaat er een nieuwe structuur, een moiré-mesh genaamd. Vergeleken met traditionele enkelvoudige golfmaterialen breidt dit supergegolfde netwerk het bereik van afstembare materiaaleigenschappen uit, waardoor potentieel gebruik in een veel breder scala aan toepassingen mogelijk is.

Prestaties van de afdeling Natuurkunde van de NUS Universiteit

Een onderzoeksteam onder leiding van professor Ariando van de afdeling natuurkunde van de Nationale Universiteit van Singapore heeft een techniek ontwikkeld en is erin geslaagd de gecontroleerde uitlijning van het hBN/grafeen/hBN supermoiré-netwerk te bereiken. Deze techniek maakt het nauwkeurig rangschikken van twee moirépatronen boven elkaar mogelijk. Ondertussen formuleerden de onderzoekers ook de ‘gouden regel van drie’ om het gebruik van hun techniek om superrimpelnetwerken te creëren te begeleiden.

De resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie.

Artistieke illustratie van het superrooster met gedraaide hoeken (θt en θb) gevormd tussen grafeen en de bovenste laag van hexagonaal boornitride (T-hBN) en de onderste laag van hexagonaal boornitride (B-hBN). Een kleine verkeerde uitlijning resulteert in de vorming van een supergolvend maaspatroon. Krediet: Natuurcommunicatie

Uitdagingen en oplossingen

Er zijn drie belangrijke uitdagingen bij het creëren van het ultra-rimpelige grafeennetwerk. Ten eerste is conventionele optische uitlijning sterk afhankelijk van de rechte randen van grafeen, maar het vinden van een geschikte grafeenwafel is tijdrovend en arbeidsintensief; Ten tweede is er, zelfs als een grafeenmonster met rechte randen wordt gebruikt, een lage kans van 1/8 op het verkrijgen van een dubbel uitgelijnd superrimpelrooster, vanwege de onzekerheid van randasymmetrie en roostersymmetrie. Ten derde: hoewel randsymmetrie en mesh-symmetrie kunnen worden bepaald, zijn de uitlijningsfouten vaak groot (groter dan 0,5°), omdat het fysiek moeilijk is om twee verschillende mesh-materialen uit te lijnen.

Dr. Junxiong Hu, hoofdauteur van het onderzoeksartikel, zei: “Onze technologie helpt een reëel probleem op te lossen. Verschillende onderzoekers hebben mij verteld dat het meestal ongeveer een week duurt om het monster te nemen. Met onze technologie kunnen ze niet alleen de productietijd aanzienlijk verkorten, maar ook aanzienlijk verbeteren Nauwkeurigheid van het monster.”

Artistieke inzichten

Wetenschappers gebruiken aanvankelijk een “30 graden rotatietechniek” om de uitlijning van de bovenste hBN- en grafeenlagen te controleren. Vervolgens gebruiken ze een ‘inversietechniek’ om de uitlijning van de bovenste hBN-lagen en de onderste hBN-lagen te controleren. Op basis van deze twee methoden kunnen ze de roostersymmetrie controleren en de bandstructuur van het grafeensuperrooster afstemmen. Ze toonden ook aan dat een aangrenzende grafietrand kan dienen als richtlijn voor het uitlijnen van de stapel. In dit onderzoek vervaardigden ze twintig moiré-monsters met een nauwkeurigheid van beter dan 0,2 graden.

Professor Ariando zei: “We hebben drie gouden regels voor onze technologie opgesteld die veel onderzoekers in de 2D-materiaalgemeenschap kunnen helpen. Er wordt verwacht dat ons werk ook ten goede zal komen aan veel wetenschappers die werken aan andere sterk onderling verbonden systemen, zoals gedraaid dubbellaags grafeen met een magische hoek of ABC-gestapeld meerlaags grafeen. Ik hoop dat deze technische verbetering de ontwikkeling van de volgende generatie golfkwantummaterie zal versnellen.

Toekomstige inspanningen

Momenteel maakt het onderzoeksteam gebruik van deze technologie om een ​​enkellaags super-rimpel grafeennetwerk te fabriceren en de unieke eigenschappen van dit materiaalsysteem te onderzoeken. Bovendien breiden ze de huidige techniek ook uit naar andere fysieke systemen, om andere nieuwe kwantumfenomenen te ontdekken.

Referentie: “Gecontroleerde uitlijning van supergolfrooster in dubbel uitgelijnde heterostructuren van grafeen” door Junxiong Hu, Junyou Tan, Mohamad M. Al Ezzi, Udvas Chattopadhyay, Jian Gou, Yuntian Zheng, Zihao Wang, Jiayu Chen, Reshmi Thottathil, Jiangbo Luo, Kenji Watanabe , Takashi Taniguchi, Andrew Thi Chien Wei, Shafik Adam en A. Ariando, 12 juli 2023, Natuurcommunicatie.
doi: 10.1038/s41467-023-39893-5