Vänster:Den här bilden, tagen med ett scanningstunnelmikroskop, visar ett moirémönster i "magisk vinkel" tvinnat tvåskiktsgrafen. Till höger:Skanningstunnelladdningsspektroskopi, en teknik som uppfanns av professor Eva Andreis grupp, avslöjar korrelerade elektroner som visas av de alternerande positiva (blå) och negativa (röda) laddningsränderna som bildades i den "magiska vinkeln" vridna dubbelskiktsgrafen som ses i bilden till vänster. Kredit:Yuhang Jiang/Rutgers University-New Brunswick
När två nätskärmar är överlagrade, vackra mönster visas när en skärm är förskjuten. Dessa "moirémönster" har länge fascinerat konstnärer, vetenskapsmän och matematiker och har hittat tillämpningar inom tryckning, mode och sedlar.
Nu, ett Rutgers-ledda team har banat väg för att lösa ett av de mest bestående mysterierna inom materialfysik genom att upptäcka att i närvaro av ett moirémönster i grafen, elektroner organiserar sig i ränder, som soldater i formation.
Deras resultat, publiceras i tidskriften Natur , kan hjälpa till i sökandet efter kvantmaterial, som supraledare, som skulle fungera i rumstemperatur. Sådana material skulle dramatiskt minska energiförbrukningen genom att göra kraftöverföring och elektroniska enheter effektivare.
"Våra fynd ger en viktig ledtråd till mysteriet som förbinder en form av grafen, kallas vriden dubbelskiktsgrafen, till supraledare som kan arbeta vid rumstemperatur, " sa seniorförfattaren Eva Y. Andrei, Styrelseprofessor vid institutionen för fysik och astronomi vid School of Arts and Sciences vid Rutgers University–New Brunswick.
Grafen - ett atomärt tunt lager av grafit som används i pennor - är ett nät av kolatomer som ser ut som en bikaka. Det är en bra ledare av elektricitet och mycket starkare än stål.
Schema av ett moirémönster i vriden tvåskiktsgrafen. Kredit:Eva Andrei/Rutgers University-New Brunswick
Det Rutgers-ledda teamet studerade vriden dubbelskiktsgrafen, skapas genom att lägga två lager grafen över varandra och förskjuta dem något. Detta skapar en "vridvinkel" som resulterar i ett moirémönster som ändras snabbt när vridvinkeln ändras.
2010, Andreis team upptäckte att förutom att vara vacker, moirémönster bildade med vriden dubbelskiktsgrafen har en dramatisk effekt på materialets elektroniska egenskaper. Detta beror på att moirémönstret saktar ner elektronerna som leder elektricitet i grafen och glider förbi varandra med stora hastigheter.
Vid en vridningsvinkel på cirka 1,1 grader – den så kallade magiska vinkeln – stannar dessa elektroner nästan helt. De tröga elektronerna börjar se varandra och interagerar med sina grannar för att röra sig i låssteg. Som ett resultat, materialet får fantastiska egenskaper som supraledning eller magnetism.
Genom att använda en teknik som uppfanns av Andreis grupp för att studera vriden dubbelskiktsgrafen, teamet upptäckte ett tillstånd där elektronerna organiserar sig i ränder som är robusta och svåra att bryta.
"Vårt team fann en nära likhet mellan denna egenskap och liknande observationer i högtemperatursupraledare, ger nya bevis på den djupa länken som ligger bakom dessa system och öppnar vägen för att reda ut deras bestående mysterium, " sa Andrei.
