Un recente studio dei laboratori di James Hone (ingegneria meccanica) e Cory Dean (fisica) dimostra un nuovo modo per regolare le proprietà dei materiali bidimensionali (2-D) semplicemente regolando l'angolo di torsione tra di loro. I ricercatori hanno costruito dispositivi costituiti da grafene monostrato incapsulato tra due cristalli di nitruro di boro e, regolando l'angolo di torsione relativo tra gli strati, sono stati in grado di creare molteplici motivi moiré.

I modelli moiré sono di grande interesse per i fisici della materia condensata e gli scienziati dei materiali che li usano per modificare o generare nuove proprietà dei materiali elettronici. Questi modelli possono essere formati allineando il nitruro di boro (BN, un isolante) e cristalli di grafene (un semimetallo). Quando questi reticoli a nido d'ape di atomi sono vicini all'allineamento, creano un superreticolo moiré, un modello di interferenza su nanoscala che sembra anche un nido d'ape. Questo superreticolo moiré altera l'ambiente quantomeccanico degli elettroni conduttori nel grafene, e quindi può essere utilizzato per programmare cambiamenti significativi nelle proprietà elettroniche osservate del grafene.

Ad oggi, la maggior parte degli studi sugli effetti dei superreticoli moiré nei sistemi grafene-BN hanno esaminato una singola interfaccia (con la superficie superiore o inferiore del grafene considerata, ma non entrambi). Però, uno studio pubblicato da Hone e Dean l'anno scorso ha dimostrato che il controllo rotazionale totale su una delle due interfacce era possibile all'interno di un singolo dispositivo.

Progettando un dispositivo con un allineamento persistente su un'interfaccia, e sintonizzabile allineamento all'altro, il team della Columbia è ora in grado di studiare gli effetti di molteplici potenziali di superreticolo moiré su uno strato di grafene.

"Abbiamo deciso di esaminare sia la superficie superiore che quella inferiore del grafene in un unico dispositivo nanomeccanico, " ha detto Nathan Finney, un dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Hone e co-autore dell'articolo, pubblicato online il 30 settembre da Nanotecnologia della natura e ora la storia di copertina dell'edizione cartacea di novembre. "Avevamo la sensazione che così facendo, potremmo potenzialmente raddoppiare la forza del superreticolo moiré utilizzando i superreticoli moiré coesistenti dalle interfacce superiore e inferiore."

Il team ha scoperto che la torsione dell'angolo degli strati ha permesso loro di controllare sia la forza del superreticolo moiré che la sua simmetria complessiva, dedotto dai cambiamenti significativi nelle proprietà elettroniche del grafene osservati.

Ad angoli vicini all'allineamento, è emersa una struttura a bande di grafene altamente alterata, osservabile nella formazione di pattern moiré a lunga lunghezza d'onda coesistenti e non sovrapposti. Al perfetto allineamento, le lacune elettroniche del grafene sono state fortemente migliorate o soppresse, a seconda che il BN girevole superiore fosse ruotato di 0 o 60 gradi. Questi cambiamenti negli spazi elettronici corrispondevano ai cambiamenti previsti nella simmetria per le due configurazioni di allineamento:simmetria di inversione rotta a 0 gradi, e simmetria di inversione ripristinata a 60 gradi.

"Questa è la prima volta che qualcuno ha visto la piena dipendenza rotazionale dei superreticoli moiré coesistenti in un unico dispositivo, " osserva Finney. "Questo grado di controllo sulla simmetria e sulla forza dei superreticoli moiré può essere applicato universalmente all'intero inventario di materiali 2D che abbiamo a disposizione. Questa tecnologia consente lo sviluppo di sensori nanoelettromeccanici con applicazioni in astronomia, medicinale, cerca e salva, e altro."

I ricercatori stanno ora perfezionando la capacità di torcere monostrati di un'ampia gamma di materiali 2-D per studiare effetti esotici come la superconduttività, ferromagnetismo indotto topologicamente, e risposta ottica non lineare in sistemi privi di simmetria di inversione.