Cao Yuan gelang ein weiterer großer Durchbruch und er veröffentlichte zwei Ergebnisse nacheinander: Das vierschichtige, „magische Winkel“-verdrehte Graphen war geboren!

[Mobile Software: BoKeYuan] Graphen besteht aus einer einzelnen Schicht von Kohlenstoffatomen, die in einem sechseckigen Wabenmuster verbunden sind. Es hat eine einfache Struktur und sieht sehr filigran aus. Seit seiner Entdeckung im Jahr 2004 haben Wissenschaftler herausgefunden, dass Graphen tatsächlich sehr stark ist. Obwohl Graphen kein Metall ist, ist seine ultrahohe elektrische Leitfähigkeit besser als die der meisten Metalle. Im Jahr 2018 fanden MIT-Wissenschaftler unter der Leitung von Cao Yuan (einem chinesischen Wissenschaftler und Doktoranden am MIT (ich glaube, jeder kennt Cao Yuans Namen bereits, daher werde ich ihn hier im Boke Garden nicht wiederholen, wir werden uns auf die neuen Forschungsergebnisse konzentrieren)) und Pablo Jarillo-Herrero heraus, dass:

Wenn zwei Graphenschichten in einem leicht versetzten „magischen Winkel“ aufeinandergestapelt werden, kann diese neue „verdrehte“ zweischichtige Graphenstruktur entweder zu einem Isolator werden, der den Stromfluss durch das Material vollständig blockiert, oder zu einem Supraleiter, der den Elektronenfluss ohne Widerstand zulässt. Es handelte sich um eine bahnbrechende Entdeckung, die auch zur Entstehung eines neuen Forschungsgebiets namens Twistronik beitrug, der Untersuchung des Verhaltens von Elektronen in verdrillten zweischichtigen Graphenschichten und anderen Materialien. Nun haben Wissenschaftler, darunter Yuan Cao vom MIT, zwei neue Forschungsarbeiten in der Zeitschrift Nature veröffentlicht, in denen sie über ihre neuesten Durchbrüche und Fortschritte in der bidirektionalen Graphenelektronik berichten.

Die erste Studie von Cao Yuan et al.

MIT-Forschern, darunter Yuan Cao, ist es gemeinsam mit Mitarbeitern des Weizmann Institute of Science erstmals gelungen, eine komplette verdrehte Graphenstruktur mit einer Auflösung abzubilden und zu kartieren, die hoch genug ist, um winzige Änderungen des lokalen Verdrehungswinkels über die gesamte Struktur hinweg zu erkennen. Die Ergebnisse zeigten, dass innerhalb der Struktur der „magische Winkel“ zwischen den Graphenschichten leicht um 1,1 Grad vom Durchschnittsbereich abwich. Das Team erkannte diese Änderungen mit einer ultrahohen Winkelauflösung von 0,002 Grad, was der Fähigkeit entspricht, den Winkel eines Apfels im Verhältnis zum Horizont aus einer Meile Entfernung zu erkennen.

Die Studie ergab, dass Strukturen mit einem engeren Bereich von Winkeländerungen im Vergleich zu Strukturen mit einem größeren Bereich von Verdrehungswinkeln offensichtlichere exotische Eigenschaften wie Isolierung und Supraleitung aufweisen. „Dies ist das erste Mal, dass ein ganzes Gerät kartiert wurde, um den Verdrehungswinkel in einem bestimmten Bereich des Geräts zu verstehen“, sagt Jarillo-Herrero, Cecil und Ida Green Professor für Physik am MIT. „Wir haben herausgefunden, dass eine kleine Variation möglich ist und trotzdem noch Supraleitung und andere exotische physikalische Phänomene auftreten, aber nicht zu viel. Und jetzt haben wir charakterisiert, wie viel Variation bei der Drehung möglich ist und welche entarteten Effekte es hat, wenn es zu viel davon gibt.“

Die zweite Studie von Cao Yuan et al.

Forscher, darunter Cao Yuan, haben eine neue verdrehte Graphenstruktur mit vier statt zwei Graphenschichten geschaffen. Die Studie stellte fest, dass die neue vierschichtige „magische Winkel“-Struktur empfindlicher auf bestimmte elektrische und magnetische Felder reagiert als ihr zweischichtiger Vorgänger. Dies deutet darauf hin, dass Forscher die exotischen Eigenschaften von Graphen mit „magischem Winkel“ in Vierschichtsystemen einfacher und kontrollierter untersuchen können. Der chinesische Wissenschaftler und Doktorand am MIT, Cao Yuan, sagte: „Der Zweck dieser beiden Studien besteht darin, das rätselhafte physikalische Verhalten der dualen elektronischen Geräte mit dem „magischen Winkel“ besser zu verstehen.“

Wenn diese Geräte erst einmal verstanden sind, könnten sie nach Ansicht der Physiker dazu beitragen, eine neue Generation von Hochtemperatur-Supraleitern, topologischen Geräten für die Quanteninformationsverarbeitung und Niedrigenergietechnologien zu entwerfen und zu konstruieren. Seitdem Cao Yuan und sein Team erstmals Graphen mit magischem Winkel entdeckten, ergriffen ihre Wissenschaftler jede Chance, seine Eigenschaften zu beobachten und zu messen. Mehrere Forschungsgruppen haben die „magische Winkel“-Struktur von Graphen mithilfe der Rastertunnelmikroskopie (STM) abgebildet, einer Technik, die eine Oberfläche auf atomarer Ebene abtastet.

Wie Falten auf Plastikfolie

Mit dieser Methode konnten die Forscher jedoch nur kleine Bereiche des „magischen Winkels“ des Graphens scannen, höchstens einige hundert Quadratnanometer. „Die Verwendung ganzer Strukturen im Mikrometermaßstab zur Beobachtung von Millionen von Atomen ist nicht das, wofür ein Rastertunnelmikroskop am besten geeignet ist“, sagte Pablo Jarillo-Herrero, Caos Co-Autor am MIT. „Das ist theoretisch möglich, kostet aber viel Zeit.“ Daher konsultierte das MIT-Team Forscher am Weizmann Institute of Science, die eine Scantechnik entwickelt hatten, die sie „Scanning Nano-SQUID“ nennen, wobei SQUID für supraleitendes Quanteninterferenzgerät steht.

Ein herkömmliches supraleitendes Quanteninterferenzgerät ähnelt einem kleinen halbierten Ring, dessen zwei Hälften aus supraleitendem Material bestehen und durch zwei Verbindungsstellen miteinander verbunden sind. Das SQUID ist an der Spitze eines Geräts montiert, das einem Rastertunnelmikroskop (STM) ähnelt. Es kann Magnetfelder messen, die auf mikroskopischer Ebene durch eine Ringprobe fließen. Die Forscher des Weizmann-Instituts haben das SQUID-Design jedoch verkleinert, um Magnetfelder im Nanomaßstab erfassen zu können. Wenn Graphen mit „magischem Winkel“ in ein kleines Magnetfeld gebracht wird, erzeugt es aufgrund der Bildung sogenannter „Landau-Niveaus“ einen anhaltenden elektrischen Strom in der Struktur.

Beispielsweise reagieren diese Landau-Niveaus und Dauerströme sehr empfindlich auf den lokalen Torsionswinkel, was je nach dem genauen Wert des lokalen Torsionswinkels zu Magnetfeldern unterschiedlicher Stärke führt. Auf diese Weise kann die Nano-SQUID-Technologie Bereiche mit winzigen Verschiebungen von nur 1,1 Grad erkennen. „Es stellt sich heraus, dass dies eine erstaunliche Technik ist, mit der sich winzige Winkeländerungen von weniger als 0,002 Grad von 1,1 Grad erfassen lassen, was sich hervorragend für die Kartierung von Graphen mit dem ‚magischen Winkel‘ eignet“, sagte Pablo Jarillo-Herrero, Caos Co-Autor am MIT. Das Team verwendete die Technik, um zwei Arten von „magischen Winkel“-Strukturen abzubilden: eine mit einer kleineren Bandbreite an Drehungsvariationen und eine mit einer größeren Bandbreite.

In der Studie wurde eine Graphenschicht auf die andere gelegt, ähnlich wie wenn man Plastikfolie auf Plastikfolie legt. Man würde erwarten, dass sich Falten bilden. Einige der beiden Schichten sind ein wenig verdreht, andere nicht so stark, genau wie das, was die Forscher beim Graphen gesehen haben. Die Studie ergab, dass Strukturen mit einem engeren Bereich an Verdrehungsvariationen im Vergleich zu Strukturen mit mehr Verdrehungsvariationen offensichtlichere exotische physikalische Eigenschaften wie beispielsweise Supraleitung aufweisen. „Da wir diese lokalen Verdrehungsänderungen nun direkt sehen können, wird es interessant zu untersuchen, wie sich Änderungen der Verdrehungswinkel so gestalten lassen, dass im Gerät unterschiedliche Quantenphasen erreicht werden“, sagte der chinesische Wissenschaftler und Doktorand am MIT Yuan Cao.

Abstimmbare Physik

In den letzten zwei Jahren haben Cao und andere Forscher mit verschiedenen Kombinationen aus Graphen und anderen Materialien experimentiert, um herauszufinden, ob das Verdrehen in bestimmten Winkeln zu merkwürdigen physikalischen Verhaltensweisen führt und ob die faszinierende Physik des „magischen Winkels“ Graphen auch dann Bestand hat, wenn die Struktur so erweitert wird, dass nicht zwei, sondern vier Graphenschichten entstehen. Seit Graphen vor fast 15 Jahren entdeckt wurde, sind zahlreiche Erkenntnisse über seine Eigenschaften ans Licht gekommen, und zwar nicht nur als dünner Film, sondern auch, wenn es in mehreren Schichten gestapelt und angeordnet ist (d. h. eine Struktur ähnlich der von Graphit oder Bleistiftminen).

Zweilagiges Graphen (zwei Lagen in einem Winkel von 0 Grad zueinander) ist ein System, dessen Eigenschaften von der Forschung mittlerweile gut verstanden werden. Theoretische Berechnungen haben gezeigt, dass in Strukturen mit zwei übereinanderliegenden Lagen in einem viel größeren Winkelbereich interessante physikalische Vorgänge auftreten. Daher ist diese Art von Struktur möglicherweise für die Herstellung von Geräten besser geeignet. Teilweise von dieser theoretischen Möglichkeit inspiriert, stellten die Forscher eine neue magische Winkelstruktur her, indem sie eine Graphendoppelschicht um 1,1 Grad gegenüber der anderen versetzten. Anschließend schlossen sie diese neue „doppelschichtige“ verdrillte Struktur an eine Batterie an, legten Spannung an und maßen den Strom, der floss, wenn sie die Struktur verschiedenen Bedingungen aussetzten, etwa magnetischen und senkrechten elektrischen Feldern.

Wie die „magische Winkel“-Struktur aus zwei Graphenschichten weist diese neue vierschichtige Graphenstruktur ein exotisches Isolierverhalten auf. Einzigartig war jedoch, dass die Forscher diese Isolierung mithilfe eines elektrischen Felds gezielt anpassen konnten, was mit doppellagigem Magic-Angle-Graphen nicht möglich ist. Der chinesische Wissenschaftler und Doktorand am MIT Cao Yuan sagte: „Dieses System ist hochgradig abstimmbar, was bedeutet, dass wir viel „Kontrolle“ haben, was es uns ermöglichen wird, Dinge zu untersuchen, die mit einer einzigen Schicht „Magic Angle“-Graphen nicht verstanden werden können.“ Dieses Forschungsgebiet steckt noch in den Kinderschuhen und die Physikgemeinde ist vorerst noch immer von dem Phänomen fasziniert.

Boco Park | Forschung/Von: Massachusetts Institute of Technology