Forskare kan ha ambitiösa mål:bota sjukdomar, utforska avlägsna världar, ren-energi revolutioner. I fysik och materialforskning, några av dessa ambitiösa mål är att göra vanligt klingande föremål med extraordinära egenskaper:Ledningar som kan transportera kraft utan någon energiförlust, eller kvantdatorer som kan utföra komplexa beräkningar som dagens datorer inte kan åstadkomma. Och de framväxande arbetsbänkarna för experimenten som gradvis för oss mot dessa mål är 2D-material - materialark som är ett enda lager av atomer tjocka.

I en tidning publicerad 14 september i tidskriften Naturfysik , ett team ledd av University of Washington rapporterar att noggrant konstruerade staplar av grafen – en 2D-form av kol – kan uppvisa högkorrelerade elektronegenskaper. Teamet hittade också bevis för att denna typ av kollektivt beteende sannolikt relaterar till uppkomsten av exotiska magnetiska tillstånd.

"Vi har skapat en experimentell uppsättning som gör att vi kan manipulera elektroner i grafenlagren på ett antal spännande nya sätt, " sa co-senior författare Matthew Yankowitz, en UW biträdande professor i fysik och materialvetenskap och teknik, samt en fakultetsforskare vid UW:s Clean Energy Institute.

Yankowitz ledde teamet med co-senior författare Xiaodong Xu, en UW professor i fysik och materialvetenskap och ingenjörskonst. Xu är också en fakultetsforskare vid UW Molecular Engineering and Sciences Institute, UW Institute for Nano-Engineered Systems och UW Clean Energy Institute.

Eftersom 2D-material är ett lager av atomer tjockt, bindningar mellan atomer bildas bara i två dimensioner och partiklar som elektroner kan bara röra sig som pjäser i ett brädspel:sida till sida, framifrån mot baksida eller diagonalt, men inte upp eller ner. Dessa begränsningar kan ge 2D-material egenskaper som deras 3D-motsvarigheter saknar, och forskare har undersökt 2D-ark av olika material för att karakterisera och förstå dessa potentiellt användbara egenskaper.

Men under det senaste decenniet, forskare som Yankowitz har också börjat lägga upp 2D-material – som en bunt pannkakor – och har upptäckt att, om de staplas och roteras i en viss konfiguration och utsätts för extremt låga temperaturer, dessa lager kan uppvisa exotiska och oväntade egenskaper.

UW-teamet arbetade med byggstenar av tvåskiktsgrafen:två ark grafen naturligt sammanlagda. De staplade ett dubbelskikt ovanpå ett annat - för totalt fyra grafenlager - och vred dem så att layouten av kolatomer mellan de två dubbelskikten var lite ur linje. Tidigare forskning har visat att införandet av dessa små vridningsvinklar mellan enstaka lager eller dubbelskikt av grafen kan få stora konsekvenser för deras elektroners beteende. Med specifika konfigurationer av det elektriska fältet och laddningsfördelning över de staplade dubbelskikten, elektroner visar mycket korrelerade beteenden. Med andra ord, de börjar alla göra samma sak – eller visa samma egenskaper – samtidigt.

"I dessa fall, det är inte längre vettigt att beskriva vad en enskild elektron gör, men vad alla elektroner gör på en gång, sa Yankowitz.

"Det är som att ha ett rum fullt av människor där en förändring i en persons beteende kommer att få alla andra att reagera på samma sätt, " sa huvudförfattaren Minhao He, en doktorand i fysik från UW och en före detta Clean Energy Institute-stipendiat.

Kvantmekaniken ligger bakom dessa korrelerade egenskaper, och eftersom de staplade grafendubbelskikten har en densitet på mer än 10^12, eller en biljon, elektroner per kvadratcentimeter, många elektroner beter sig kollektivt.

Teamet försökte reda ut några av mysterierna med de korrelerade tillstånden i sin experimentella uppsättning. Vid temperaturer på bara några grader över den absoluta nollpunkten, teamet upptäckte att de kunde "justera" systemet till en typ av korrelerat isolerande tillstånd - där det inte skulle leda någon elektrisk laddning. Nära dessa isolerande stater, teamet hittade fickor med högt ledande tillstånd med egenskaper som liknar supraledning.

Även om andra lag nyligen har rapporterat dessa tillstånd, ursprunget till dessa egenskaper förblev ett mysterium. Men UW-teamets arbete har hittat bevis för en möjlig förklaring. De fann att dessa tillstånd verkade drivas av en kvantmekanisk egenskap hos elektroner som kallas "spin" - en typ av rörelsemängd. I regioner nära de korrelerade isolerande tillstånden, de hittade bevis för att alla elektronsnurr spontant ställer in sig. Detta kan tyda på att nära de regioner som visar korrelerade isolerande tillstånd, en form av ferromagnetism växer fram – inte supraledning. Men ytterligare experiment skulle behöva verifiera detta.

Dessa upptäckter är det senaste exemplet på de många överraskningar som väntar när man genomför experiment med 2D-material.

"Mycket av det vi gör inom den här forskningslinjen är att försöka skapa, förstå och kontrollera nya elektroniska tillstånd, som kan vara antingen korrelerad eller topologisk, eller besitter båda egenskaperna, " sa Xu. "Det kan finnas mycket vi kan göra med dessa tillstånd längre fram - en form av kvantberäkning, en ny energiskördande anordning, eller några nya typer av sensorer, till exempel - och ärligt talat kommer vi inte att veta förrän vi försöker."

Sålänge, förvänta dig högar, dubbellager och vridningsvinklar för att fortsätta skapa vågor.