MIT-fysiker och kollegor har skapat en femfilig motorväg för elektroner som kan möjliggöra ultraeffektiv elektronik och mer. Arbetet rapporterades i numret av Science den 9 maj , är en av flera viktiga upptäckter av samma team under det senaste året som involverar ett material som i huvudsak är en unik form av blyertspenna.
"Denna upptäckt har direkta konsekvenser för elektroniska enheter med låg effekt eftersom ingen energi går förlorad under fortplantningen av elektroner, vilket inte är fallet i vanliga material där elektronerna är utspridda", säger Long Ju, biträdande professor vid MIT Department of Fysik och motsvarande författare till tidningen.
Fenomenet är besläktat med bilar som färdas längs en öppen vägbana i motsats till de som rör sig genom stadsdelar. Grannskapsbilarna kan stoppas eller bromsas av andra förare som gör abrupta stopp eller U-svängar som stör en annars smidig pendling.
Materialet bakom detta arbete, känt som rhombohedral pentalayer graphene, upptäcktes för två år sedan av fysiker under ledning av Ju. "Vi hittade en guldgruva och varje skopa avslöjar något nytt", säger Ju, som också är knuten till MIT:s Materials Research Laboratory.
I en Nanoteknologi i oktober förra året rapporterade Ju och kollegor upptäckten av tre viktiga egenskaper som härrör från romboedrisk grafen. Till exempel visade de att det kunde vara topologiskt, eller tillåta obehindrad rörelse av elektroner runt kanten av materialet men inte genom mitten. Det resulterade i en motorväg, men krävde appliceringen av ett stort magnetfält som är tiotusentals gånger starkare än jordens magnetfält.
I det pågående arbetet rapporterar teamet att skapa motorvägen utan något magnetfält.
Tonghang Han, en doktorand i fysik från MIT, är en av de första författare till uppsatsen. "Vi är inte de första att upptäcka det här generella fenomenet, men vi gjorde det i ett helt annat system. Och jämfört med tidigare system är vårt enklare och stöder även fler elektronkanaler", förklarar Ju. "Andra material kan bara stödja ett körfält på kanten av materialet. Vi stötte plötsligt upp det till fem."
Ytterligare första författare av tidningen som bidrog lika mycket till arbetet är Zhengguang Lu och Yuxuan Yao. Lu är postdoktor vid Materialforskningslaboratoriet. Yao ledde arbetet som gästande student från Tsinghua University. Andra författare är MIT professor Liang Fu i fysik; Jixiang Yang och Junseok Seo, båda doktorander i MIT fysik; Chiho Yoon och Fan Zhang från University of Texas i Dallas; och Kenji Watanabe och Takashi Taniguchi från National Institute for Materials Science i Japan.
Så fungerar det
Blyertspenna, eller grafit, är sammansatt av grafen, ett enda lager av kolatomer arrangerade i hexagoner som liknar en bikakestruktur. Romboedrisk grafen är sammansatt av fem lager grafen staplade i en specifik överlappande ordning.
Ju och kollegor isolerade romboedrisk grafen tack vare ett nytt mikroskop Ju byggt vid MIT 2021 som snabbt och relativt billigt kan bestämma en mängd viktiga egenskaper hos ett material i nanoskala. Pentalayer romboedrisk staplad grafen är bara några miljarddels meter tjock.
I det nuvarande arbetet mixtrade teamet med det ursprungliga systemet och lade till ett lager volframdisulfid (WS2 ). "Interaktionen mellan WS2 och pentalayer-romboedrisk grafen resulterade i denna femfiliga motorväg som arbetar med noll magnetfält", säger Ju.
Fenomenet som Ju-gruppen upptäckte i romboedrisk grafen som tillåter elektroner att färdas utan motstånd vid noll magnetfält är känt som den kvantanomala Hall-effekten. De flesta människor är mer bekanta med supraledning, ett helt annat fenomen som gör samma sak men som sker i väldigt olika material.
Ju noterar att även om supraledare upptäcktes på 1910-talet, tog det cirka 100 år av forskning för att få systemet att fungera vid de högre temperaturer som krävs för tillämpningar. "Och världsrekordet är fortfarande långt under rumstemperatur", konstaterar han.
På liknande sätt fungerar den romboedriska grafenmotorvägen för närvarande på cirka 2 Kelvin, eller -456 Fahrenheit. "Det kommer att krävas mycket ansträngning att höja temperaturen, men som fysiker är vårt jobb att ge insikten; ett annat sätt att förverkliga detta [fenomen]," säger Ju.
Upptäckten som involverade romboedrisk grafen kom som ett resultat av mödosam forskning som inte garanterat skulle fungera. "Vi provade många recept under många månader", säger Han, "så det var väldigt spännande när vi kylde systemet till en mycket låg temperatur och [en femfilig motorväg som körde med noll magnetfält] precis dök ut."
Ju säger:"Det är väldigt spännande att vara den första att upptäcka ett fenomen i ett nytt system, särskilt i ett material som vi har upptäckt."
Mer information: Tonghang Han et al, Large quantum anomalous Hall effect in spin-orbit proximitized rhombohedral graphene, Science (2024). DOI:10.1126/science.adk9749
Journalinformation: Nanoteknik , Vetenskap
Tillhandahålls av Materials Research Laboratory, Massachusetts Institute of Technology
