Nanoteknik är en term som tillämpas på en mängd olika områden från kläder och bilfärger till sportutrustning och elektronik. I slutändan hänvisar allt till en storlek, nanometern (nm), och mänsklighetens förmåga att förstå, kontrollera och manipulera de unika fenomen som uppstår i denna dimension. För perspektiv, ett pappersark är cirka 100, 000 nm tjock.

På IBM Research och, i vissa projekt, med stöd av statliga medel, forskare undersöker nanoskalan för att förbättra effekttätheten och energieffektiviteten hos elektroniska enheter, inklusive allt från mobiltelefoner till IoT-sensorer till gigantiska molndatacenter.

Ett sådant projekt leds av vetenskapsmannen Elad Koren från IBM:s Zürich-labb. I projektet, som finansieras under Ambizione-programmet inom Swiss National Science Foundation (SNSF), teamet är fokuserat på att förstå den grundläggande fysiken för stapling av 2D-material, inklusive den för närvarande populära grafenen.

Även om det finns mycket hype kring grafen, det anses vara ett av de mest lovande materialen för framtida halvledarelektronik och kvantenheter på grund av dess överlägsna elektroniska egenskaper. Den uppvisar också rika fysikaliska egenskaper beroende på hur den staplas ovanpå en annan 2D-kristall, och det är här det blir riktigt intressant och lite komplicerat.

När de två staplade lagren är gjorda av samma material, som grafen, en speciell uppsättning periodiska 2D-supergitter kommer att dyka upp i specifika vinklar. Sådan oöverensstämmelse kan också inducera ett bandgap i tvålagers grafensystem, vilket ger ett av de första stegen mot att bygga enheter av transistortyp för nästa generations elektroniska enheter som är mer kraftfulla, ändå energisnål.

Koren och hans kollegor publicerade sina första resultat i septembernumret 2016 av tidskriften peer-review Naturens nanoteknik . I uppsatsen demonstrerade teamet hur de genom att använda den skarpa spetsen på ett atomkraftmikroskop exakt kan kontrollera vad som ser ut att se ut som en vanlig husnyckel (Fig. 1).

Den nyckelformade enheten i nanostorlek kan roteras som händerna på ett lås från 0 till 360 grader, som skulle kunna användas som en omkopplare för att slå på och av strömmen för en tunnelfälteffekttransistor (TFET), ett viktigt steg för att minska energiläckaget i elektroniska apparater.

"Vi har uppnått oöverträffad noggrannhet i att styra rotationskonfigurationen med en vinkelupplösning – bättre än 0,1 grader. Detta gör det möjligt för oss att både utforska stackens grundläggande karaktär och realisera dess fulla potential, sa Koren.

Möjligheten att kontrollera staplingskonfigurationen med hög vinkelnoggrannhet gör det möjligt att styra och konstruera många fysiska egenskaper och realisera nya nya material inom olika områden inom vetenskap och teknik såsom:elektronik, optik, termoelektrik och elektromekanik.

Enheten möjliggör också ett högt magnetiskt flöde i en  enkristallcell som producerar den berömda Hofstadters fjäril, det teoretiserade beteendet hos elektroner under ett starkt magnetfält och en periodisk potential.

Friktionslagarna undgår inte nanoregimen och även i denna liten skala blir friktion en utmaning för den nyckelformade enheten och som vi vet, friktion orsakar värme, sliter och avleder energi – en olycklig egenskap i denna skala.

Otroligt, rotationsfelanpassningen i 2D-lagersystem undertrycker kraftigt friktionen och energiförlusten, en effekt som är känd som superlubricitet.

"Det finns praktiskt taget ingen friktion. Det är helt enkelt baserat på att hitta rätt vinkel, tillägger Koren.

Koren hoppas att genom att dela sin forskning med andra inom området, kommer det att väcka nytt material och design av nya enheter.