Ett material som består av två enatoms tjocka lager av kol har fångat fysikers uppmärksamhet över hela världen för dess spännande – och potentiellt exploaterbara – ledande egenskaper.

Dr Fan Zhang, biträdande professor i fysik vid School of Natural Sciences and Mathematics vid University of Texas i Dallas, och fysikdoktoranden Qiyue Wang publicerade en artikel i juni med Dr. Fengnian Xias grupp vid Yale University i Nature Photonics som beskriver hur förmågan hos vridet dubbelskiktsgrafen att leda elektrisk ström förändras som svar på mellaninfrarött ljus.

Från ett till två lager

Grafen är ett enda lager av kolatomer arrangerade i ett platt bikakemönster, där varje hexagon bildas av sex kolatomer vid sina hörn. Sedan grafenens första isolering 2004, dess unika egenskaper har intensivt studerats av forskare för potentiell användning i avancerade datorer, material och anordningar.

Om två ark grafen staplas ovanpå varandra, och ett lager roteras så att lagren är lite ur linje, den resulterande fysiska konfigurationen, kallas vriden dubbelskiktsgrafen, ger elektroniska egenskaper som avsevärt skiljer sig från de som uppvisas av ett enda lager ensamt eller av två inriktade lager.

"Grafen har varit intressant i cirka 15 år, " sa Zhang. "Ett enda lager är intressant att studera, men om vi har två lager, deras interaktion borde göra fysiken mycket rikare och mer intressant. Det är därför vi vill studera tvåskiktsgrafensystem."

Ett nytt fält dyker upp

När grafenlagren är felinriktade, en ny periodisk design i nätet dyker upp, kallas ett moirémönster. Moirémönstret är också en hexagon, men det kan bestå av fler än 10, 000 kolatomer.

"Vinkeln vid vilken de två lagren av grafen är felinriktade - vridningsvinkeln - är kritiskt viktig för materialets elektroniska egenskaper, " sa Wang. "Ju mindre vridningsvinkeln är, ju större moiré-periodicitet."

De ovanliga effekterna av specifika vridningsvinklar på elektronbeteende föreslogs först i en artikel 2011 av Dr. Allan MacDonald, professor i fysik vid UT Austin, och Dr. Rafi Bistritzer. Zhang bevittnade födelsen av detta område som doktorand i MacDonalds grupp.

"Vid den tiden, andra ägnade verkligen ingen uppmärksamhet åt teorin, men nu har det utan tvekan blivit det hetaste ämnet inom fysik, " sa Zhang.

I den forskningen 2011 förutspådde MacDonald och Bistritzer att elektronernas kinetiska energi kan försvinna i ett grafendubbelskikt som är felinriktat av den så kallade "magiska vinkeln" på 1,1 grader. Under 2018, forskare vid Massachusetts Institute of Technology bevisade denna teori, fann att förskjutning av två grafenlager med 1,1 grader gav en tvådimensionell supraledare, ett material som leder elektrisk ström utan motstånd och ingen energiförlust.

I en artikel från 2019 i Science Advances, Zhang och Wang, tillsammans med Dr Jeanie Laus grupp vid Ohio State University, visade att när förskjuten med 0,93 grader, vriden dubbelskiktsgrafen uppvisar både supraledande och isolerande tillstånd, vilket vidgar den magiska vinkeln avsevärt.

"I vårt tidigare arbete, vi såg såväl supraledning som isolering. Det är det som gör studiet av vridet dubbelskiktsgrafen till ett så hett fält – supraledning. Det faktum att du kan manipulera rent kol till supraledning är fantastiskt och aldrig tidigare skådat, " sa Wang.

Nya resultat från UT Dallas

I sin senaste forskning inom Nature Photonics, Zhang och hans medarbetare vid Yale undersökte om och hur vriden dubbelskiktsgrafen interagerar med mittinfrarött ljus, som människor inte kan se men kan upptäcka som värme.

"Interaktioner mellan ljus och materia är användbara i många enheter, t.ex. omvandla solljus till elektrisk kraft, " sa Wang. "Nästan varje föremål avger infrarött ljus, inklusive människor, och detta ljus kan detekteras med enheter."

Zhang är en teoretisk fysiker, så han och Wang gav sig i kast med att bestämma hur mellaninfrarött ljus kan påverka konduktansen hos elektroner i vriden dubbelskiktsgrafen. Deras arbete innebar att beräkna ljusabsorptionen utifrån moirémönstrets bandstruktur, ett koncept som avgör hur elektroner rör sig i ett material kvantmekaniskt.

"Grafen har varit intressant i cirka 15 år. Ett enda lager är intressant att studera, men om vi har två lager, deras interaktion borde göra fysiken mycket rikare och mer intressant. Det är därför vi vill studera tvåskiktsgrafensystem, " han säger.

"Det finns standardsätt att beräkna bandstrukturen och ljusabsorptionen i en vanlig kristall, men det här är en konstgjord kristall, så vi var tvungna att komma på en ny metod, " sa Wang. Med hjälp av resurser från Texas Advanced Computing Center, en superdatoranläggning på UT Austin campus, Wang beräknade bandstrukturen och visade hur materialet absorberar ljus.

Yale-gruppen tillverkade enheter och körde experiment som visade att den mellaninfraröda fotoresponsen – ökningen i konduktans på grund av ljuset som skiner – var ovanligt stark och störst vid vridningsvinkeln på 1,8 grader. Den starka fotoresponsen försvann för en vridningsvinkel mindre än 0,5 grader.

"Våra teoretiska resultat stämde inte bara väl överens med de experimentella resultaten, men pekade också på en mekanism som är fundamentalt kopplad till perioden av moirémönster, som i sig är kopplad till vridningsvinkeln mellan de två grafenlagren, " sa Zhang.

Nästa steg

"Vridningsvinkeln är helt klart mycket viktig för att bestämma egenskaperna hos vriden dubbelskiktsgrafen, " tillade Zhang. "Frågan uppstår:Kan vi använda detta för att ställa in andra tvådimensionella material för att få oöverträffade funktioner? Också, kan vi kombinera fotoresponsen och supraledningsförmågan i vriden dubbelskiktsgrafen? Till exempel, kan lysande ett ljus framkalla eller på något sätt modulera supraledning? Det ska bli väldigt intressant att studera."

"Detta nya genombrott kommer potentiellt att möjliggöra en ny klass av infraröda detektorer baserade på grafen med hög känslighet, " sa Dr. Joe Qiu, programledare för halvledarelektronik och elektromagnetik vid U.S. Army Research Office (ARO), en del av U.S. Army Combat Capabilities Development Commands Army Research Laboratory. "Dessa nya detektorer kommer potentiellt att påverka tillämpningar som mörkerseende, vilket är av avgörande betydelse för den amerikanska armén."