Drygt ett år efter att forskare vid MIT häpnade fysikvärlden med upptäckten av den "magiska vinkeln" för staplade ark av grafen, forskare vid Caltech har direkt observerat och studerat detta material med hjälp av ett scanning tunnelmikroskop som kan avbilda elektroniska egenskaper på atomlängdsskala.

Att förstå den "magiska vinkeln" - en specifik orientering mellan den staplade grafenen som ger speciella elektriska egenskaper - kan bana väg för att förverkliga drömmen om rumstemperatursupraledare, som kan överföra enorma elektriska strömmar samtidigt som den producerar noll värme.

Men först:vad är den magiska vinkeln? Säg att du tar två ark grafen – enatoms tjocka galler av kolatomer – och lägger det ena ovanpå det andra för att skapa ett dubbelskiktsmaterial, vrid sedan ett av arken med grafen för att flytta deras orientering till varandra. När orienteringen ändras, de elektroniska egenskaperna hos dubbelskiktsmaterialet kommer att förändras med det. I början av 2018, forskare vid MIT upptäckte att vid en viss orientering (cirka 1,1 graders relativ vridning), dubbelskiktsmaterialet, förvånande, blir supraledande och dessutom, de supraledande egenskaperna kan styras med de elektriska fälten. Deras upptäckt lanserade ett nytt forskningsfält inom magisk vinkelorienterad grafen, känd som "twistronics".

Ingenjörer och fysiker vid Caltech har byggt vidare på den upptäckten genom att skapa en bild av atomstrukturen och elektroniska egenskaper hos magisk vinkeltvinnad grafen, ge ny insikt om fenomenet genom att erbjuda ett mer direkt sätt att studera det. En artikel om deras arbete publicerades i tidskriften Naturfysik den 5 augusti.

"Detta drar tillbaka höljet på twistronics, " säger Caltechs Stevan Nadj-Perge, motsvarande författare till uppsatsen och biträdande professor i tillämpad fysik och materialvetenskap vid avdelningen för teknik och tillämpad vetenskap.

Forskning om den magiska vinkeln kräver en extrem nivå av precision för att få de två arken grafen i linje med precis rätt vinkel. Gamla tekniker för att göra det nödvändiggjorde inbäddning av grafen i ett isolerande material, vilket hade den olyckliga bieffekten att förhindra direkt studie av provet. Istället, forskare var tvungna att använda indirekta metoder för att sondera grafenprovet - till exempel, genom att mäta hur elektroner strömmar genom den. Nadj-Perge och hans kollegor utvecklade en ny metod för att skapa prover av magisk vinkeltvinnad grafen som kan användas för att rikta in de två arken av grafen mycket exakt samtidigt som de lämnas exponerade för direkt observation.

Genom att använda denna teknik, forskarna kunde lära sig mer om materialets elektroniska egenskaper vid den magiska vinkeln samt studera hur dessa egenskaper förändras när vridningsvinkeln rör sig bort från det magiska värdet. Deras arbete gav flera viktiga insikter som kommer att vägleda framtida teoretiska modellering och experiment, inklusive observationen att den elektroniska korrelationen spelar en viktig roll nära laddningsneutralitetspunkten - vinkeln vid vilken dubbelskiktet är elektroniskt neutralt.

"Tidigare, man trodde att korrelationseffekter inte spelar någon större roll i laddningsneutralitet, " säger Nadj-Perge. "Närmare, mer detaljerad undersökning av prover som detta kan hjälpa oss att förklara varför de exotiska elektroniska effekterna nära den magiska vinkeln existerar. När vi väl vet det, vi kan hjälpa till att bana väg för användbara tillämpningar av det, kanske till och med leda till supraledning vid rumstemperatur en dag."

Uppsatsen har titeln "Elektroniska korrelationer i vriden dubbelskiktsgrafen nära den magiska vinkeln."