Il grafene è un foglio 2D di atomi di carbonio disposti in un reticolo esagonale (disposizione) che dimostra proprietà come elevata conduttività elettrica, resistenza meccanica e flessibilità. Ciò ha attirato l'interesse degli scienziati come candidato promettente per le applicazioni elettroniche.

Tuttavia, è stato studiato molto poco sulle proprietà elettroniche del grafene monostrato.

In queste nuove lettere di revisione fisica studio, i ricercatori si sono concentrati sullo studio di queste proprietà inserendo il grafene tra due strati di nitruro di boro sfusi.

Il lavoro faceva parte del primo autore, il Ph.D. di Mohammed M. Al Ezzi. presso l'Università Nazionale di Singapore (NUS), che ora lavora come post-doc con il Prof. Shaffique Adam presso la NUS.

Potenziali, modelli e reticoli moiré

Nella scienza dei materiali, diversi strati di materiali vengono impilati uno sopra l'altro per creare una nuova struttura nota come struttura moiré. Questi strati sono disallineati e portano alla formazione di un motivo moiré.

Questi strati interagiscono tra loro attraverso varie forze, in questo caso attraverso le forze di van der Waal. Ciò porta a variazioni nell'energia potenziale sperimentata dall'elettrone all'interno del materiale (grafene o nitruro di boro), noto come potenziale moiré.

Quindi, il potenziale moiré nasce dall'interferenza tra le disposizioni atomiche dei due materiali, risultando in una modulazione periodica dell'energia potenziale all'interno dello strato di grafene.

Questo potenziale moiré gioca un ruolo cruciale nell'influenzare le proprietà elettroniche del materiale e può portare all'emergere di fenomeni unici come bande piatte e stati topologici.

Tre strati e fasce topologiche

I ricercatori propongono una struttura a tre strati, con lo strato di grafene al centro per indurre bande topologiche. La struttura risultante è nota come struttura super-moiré.

Si chiama struttura super-moiré perché ci sono due strutture moiré distinte, dai substrati superiore e inferiore di nitruro di boro. Ciò dà origine a una fisica esotica, vale a dire una fisica non convenzionale.

Il Prof. Adam ha spiegato:"Situando il grafene tra i substrati di nitruro di boro e regolando l'allineamento su specifici angoli di torsione, possiamo indurre bande piatte topologiche nello spettro energetico del grafene. Queste bande piatte, a loro volta, probabilmente ospitano robusti stati elettronici fortemente correlati."

Le bande topologiche sono uno stato elettronico unico in un materiale che ha proprietà speciali grazie alla sua struttura insolita. Rappresentano un allontanamento dagli stati elettronici convenzionali come conduttori o isolanti.

Per il loro lavoro, i ricercatori hanno specificato angoli di torsione di 0 gradi per lo strato inferiore di nitruro di boro e di circa 0,6 gradi per lo strato superiore di nitruro di boro. Questi angoli rappresentano la quantità di rotazione applicata agli strati rispetto ai loro orientamenti originali.

Il modello dei ricercatori per la struttura a tre strati ha mostrato l'esistenza di una banda piatta topologica come risultato del potenziale moiré.

Queste bande piatte rappresentano livelli di energia piatti, il che significa che l'energia degli elettroni all'interno di queste bande non cambia molto al variare del loro momento (pensalo come se camminassi su un altopiano).

Fisica correlata e generalizzazione

La domanda che sorge ora è:qual è il significato di queste bande piatte topologiche?

L'esistenza di queste bande piatte è una proprietà unica e può essere utilizzata per sfruttare diverse proprietà elettroniche e, quindi, applicazioni elettroniche uniche.

Ad esempio, gli isolanti topologici si comportano come isolanti nella loro massa ma conducono elettricità lungo la loro superficie o i bordi.

I ricercatori pensano che queste bande piatte topologiche per il grafene monostrato potrebbero dare origine a una fisica correlata, in cui gli elettroni si comportano come un'unità collettiva (tramite interazioni Coulombiane), dando origine a nuovi stati elettronici, come superconduttività, magnetismo e fasi isolanti. /P>

Il Prof. Adam ha spiegato:"Vari sistemi moiré costituiti da più fogli di grafene monostrato hanno mostrato l'emergere di fisica correlata e bande piatte. Tuttavia, attualmente non esiste una comprensione unificata dell'emergere di bande piatte e fisica correlata in questi diversi sistemi moiré."

"Un modo per avere una comprensione unificata dell'emergere di bande piatte e della fisica correlata in tutti i diversi sistemi moiré basati sul grafene è studiare le bande piatte in un singolo foglio monostrato. Lo studio di un singolo foglio monostrato di grafene può dirci gli ingredienti minimi da mostrare bande piatte e fasi correlate."

I ricercatori hanno anche dimostrato la generalizzazione estendendo le loro scoperte alla configurazione a doppio e tristrato di grafene, mostrando il potenziale per la superconduttività.

Hanno inoltre dimostrato che queste bande piatte topologiche erano estremamente stabili, indicando la loro robustezza e affidabilità nel supportare la fisica correlata.

Preservare la qualità e i transistor topologici

Esistono molti altri metodi per indurre queste forti interazioni elettroniche che danno origine alla fisica correlata. Ma alcuni di essi possono influenzare la qualità stessa del grafene.

"Un metodo comune per indurre forti interazioni elettroniche nel grafene prevede la deformazione meccanica. Tuttavia, questo approccio spesso compromette la qualità del grafene e pone sfide in termini di controllo."

"Il nostro metodo promuove interazioni elettroniche più forti inducendo bande piatte preservando le proprietà intrinseche di alta qualità del grafene", ha affermato il prof. Adam.

I ricercatori sono già coinvolti con una società chiamata FLEET che sta sviluppando transistor topologici e sperano che il loro lavoro con le bande piatte topologiche possa aiutare a realizzare nuovi dispositivi.

I risultati sono entusiasmanti per lo sviluppo di una nuova elettronica basata sul grafene e favoriscono anche la comprensione della fisica della materia condensata e della fisica esotica.