Under de senaste sju åren har Javier Sanchez-Yamagishi har byggt flera hundra nanoskala staplade grafensystem för att studera deras elektroniska egenskaper. "Det som intresserar mig mycket är att egenskaperna hos detta kombinerade system beror känsligt på den relativa inriktningen mellan dem, " han säger.

Sanchez-Yamagishi, som tog sin doktorsexamen i januari, är nu postdoc i docent Pablo Jarillo-Herreros grupp. Han monterar smörgåsar av grafen och bornitrid med olika horisontella orienteringar. "De knep vi skulle använda var att göra renare enheter, kyla ner dem till låga temperaturer och applicera mycket stora magnetfält på dem, "säger Sanchez-Yamagishi, som utförde mätningar vid National High Magnetic Field Laboratory i Tallahassee, Florida. Labbet har den största kontinuerliga magneten i världen, 45 Tesla, vilket är ca 10, 000 gånger styrkan hos en kylskåpsmagnet.

Sanchez-Yamagishi var en ledande medförfattare till ett papper från 2014 Natur som visade att en komponent i det applicerade magnetfältet i grafenplanet tvingade elektroner vid kanten av grafen att röra sig i motsatta riktningar baserat på deras snurr. Ledande medförfattare var postdoc Benjamin M. Hunt och Pappalardo Fellow Andrea Young, båda från MIT Physics Professor Raymond C. Ashooris grupp. Tidningen var kulmen på två års arbete, Säger Sanchez-Yamagishi.

"Vi försökte förverkliga några intressanta kvanttillstånd i grafen. Det kallas ett kvantspinn Hall -tillstånd, "Sanchez-Yamagishi förklarar. Det skulle ha tillämpningar inom kvantberäkning, ett intresseområde för gruppen eftersom Jarillo-Herrero är forskare vid National Science Foundation-finansierade Center for Integrated Quantum Materials.

Sanchez-Yamagishi var också medförfattare till ett vetenskapligt papper från 2013 där Jarillo-Herrero, Ashoori, och medarbetare visade att en viss inriktning av skiktad grafen och sexkantig bornitrid skapade en unik bandgap i grafen, vilket kan vara en föregångare till att utveckla materialet för funktionella transistorer. Sanchez-Yamagishis medförfattare inkluderade återigen Young, nu biträdande professor vid University of California i Santa Barbara, och Hunt, som kommer att ansluta sig till fakulteten vid Carnegie Mellons fysiska institution i höst.

Hofstadters fjäril

Grafen- och bornitridlager har vardera atomer anordnade i en sexkantig, eller sexsidig, mönster. När gitterarrangemanget av grafen och sexkantiga bornitridlager är nära inriktade, och proverna exponeras för ett stort magnetfält utanför planet, de uppvisar elektroniska energinivåer som kallas "Hofstadters fjäril, "för när de är ritade på en graf liknar det en fjäril. Det som upphetsar fysiker är att denna fjäril är ett av de sällsynta exemplen på ett fraktalt mönster i kvantfysik." Det här är fysik som bara kommer in i [lek] eftersom elektronerna är väldigt små och vi gör dem väldigt kalla. Så kvantfysiken spelar en roll och den är väldigt annorlunda, chockerande annorlunda, "Säger Sanchez-Yamagishi.

"Förutom Hofstadter -fjärilsresultatet, samma enheter var också de första som visade en bandgap i grafen. Jarillo-Herrero säger, "Det som var mycket oväntat var att vi visade att grafen, som vanligtvis fungerar mycket bra, under villkoren för det experimentet med en mycket låg rotationsvinkel mellan grafen och HBN, blev en isolator. Det ledde inte alls. Det var ett oväntat beteende och [det] är fortfarande. Teoretiker försöker fortfarande förstå varför. På en kvantitativ nivå, det är inte förstått än. Så det förstås kvalitativt, men inte kvantitativt. "

Lycklig upptäckt

Det speciella elektroniska beteendet för grafen kommer från dess molekylära struktur, som är som en honungskaka eller kycklingtrådformat galler av kolatomer. När dessa bikakestrukturer staplas ovanpå varandra, om de inte är i linje, de skapar ett så kallat moiremönster, som varierar med rotation av skikten med avseende på varandra. "Det som hände var att det av en slump vi fick dessa prover som visade denna Hofstadter -fysik. Så det var inte vår ursprungliga avsikt, "Sanchez-Yamagishi förklarar." För att se Hofstadter-fysiken, grafen måste vara mycket nära anpassad till hexagonal bornitrid. När det är nära inriktat, du har ett mycket stort supergitter, och då påverkas fysiken starkt, och det var därför vi kunde observera denna Hofstadter -fysik, säger han. För att uttrycka det på ett annat sätt, han säger, "När de är feljusterade, moiren är mycket liten, och när moiren är liten, det har väldigt liten effekt på elektronens fysik. Men när de är i linje, ju mer de är inriktade, ju större moire och desto starkare effekt på elektronerna, och så i princip för att se denna typ av Hofstadter -fysik behöver du en stor moire. "

Medan denna bikakestruktur finns i grafit, en välkänd bulkform av kol, dess speciella egenskaper visas bara när lager av grafen bara en till några atomer tjocka separeras från grafiten. "Grafen leder elektricitet bättre än grafit. Den leder bättre än silver eller guld, "Säger Sanchez-Yamagishi.

Sanchez-Yamagishi byggde en maskin i labbet som staplar extremt tunna lager av grafen och liknande material. När två lager grafen är felriktade, de kallas twisted bilayer graphene. "I grafit, normalt är alla lager i linje med varandra; elektroner saktar ner, "förklarar han. Det visar sig att om två lager av grafen staplas i linje, elektroner som färdas inom ett lager saktas ner på samma sätt. Men med grafen, om lagren staplade ovanpå varandra är felriktade, de fungerar som om det ena skiktet inte riktigt känner det andra lagret. "Du kan lägga det direkt ovanpå varandra, de förblir faktiskt avkopplade från varandra, och det kan fortfarande leda elektricitet i princip lika bra som om det fortfarande var ett enda ark grafen, "säger han." Om de är feljusterade, då påverkas inte elektronen i det ena lagret av de andra lagren och dragkedja snabbt. "

Medan vridningen, eller rotation ut ur inriktningen, kan förbättra elektronflödet genom enskilda lager, den har motsatt effekt på elektroner som rör sig mellan skikten. "Även om de ligger ovanpå varandra, atomer isär, om du vrider dem, då kan elektronerna faktiskt inte gå från det ena skiktet till det andra bara själva. De behöver hjälp från andra element i systemet. Så du kan lägga dem direkt ovanpå varandra, de är faktiskt inte elektriskt anslutna. Det är relaterat till detta moiremönster. Det är på grund av vridningen mellan de två lagren som avkopplar dem på detta sätt, "Säger Sanchez-Yamagishi.

Inlärningskurva

En av de första doktoranderna som gick med i Jarillo-Herreros grupp 2008, Sanchez-Yamagishi, 28, säger att han har vuxit från att till en början spendera månader för att göra grafen av god kvalitet till att nu göra mycket invecklade grafenenheter och sedan kombinera med andra material. Guldkontakter skickar ström genom grafen för att mäta dess elektriska egenskaper. Ofta, grafenformer som används i testanordningar är oregelbundet formade eftersom det är så de kommer från det naturliga grafitmaterialet. Grafiten gnids på ett kiselark och lyfts av med specialtejp för att skapa tunna lager av grafen. Att maximera mängden grafen som kan användas för en enhet prioriteras framför att den ska se snygg ut, Säger Sanchez-Yamagishi. "Vi försöker driva tekniken till den högsta nivån, så vi litar lite på distributionens svans ände här. Vi vill få den svansen, de som fungerar onormalt bra, för att vi vill demonstrera fysiken, "säger han." Till slut, vi tar bort dem som inte är av hög kvalitet, och vi behåller de som är bäst. "

Studierna utförs vid låga temperaturer, cirka 4 kelvin - även om vissa är ännu kallare, mätt i millikelvin. "Ett stort fokus i vårt laboratorium är bara att studera elektricitet i form av hur elektroner rör sig och för att göra det vill vi först kyla ner det till låga temperaturer där allt vi ser är hur elektronen beter sig av sig själv i första hand, och då kan vi oroa oss för att göra saker mer komplicerade också, "Sanchez-Yamagishi förklarar. Han är också mentor för nuvarande doktorander Yuan Cao och Jason Luo.

I september, Sanchez-Yamagishi kommer att inleda ett tvåårigt postdoktorat vid Harvard University Quantum Optics Center, där han kommer att arbeta med kvävevakanscentra i diamant under ledande forskare Mikhail Lukin. "Min bakgrund är elektronik i grafen, så tanken är att kombinera elektroner i grafen med fotoner i diamanter, "säger han. Han hoppas så småningom bli fysikprofessor.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.