Tillverkad av ett enda lager kolatomer kopplade i ett sexkantigt bikakemönster, grafens struktur är enkel och till synes delikat. Sedan upptäckten 2004 forskare har funnit att grafen faktiskt är exceptionellt stark. Och även om grafen inte är en metall, den leder elektricitet vid ultrahöga hastigheter, bättre än de flesta metaller.

År 2018, MIT-forskare under ledning av Pablo Jarillo-Herrero och Yuan Cao upptäckte att när två ark grafen staplas ihop i en något förskjuten "magisk" vinkel, den nya "vridna" grafenstrukturen kan antingen bli en isolator, helt blockerar el från att flöda genom materialet, eller paradoxalt nog, en superledare, kunna låta elektroner flyga igenom utan motstånd. Det var en monumental upptäckt som hjälpte till att lansera ett nytt fält som kallas "twistronics, "studiet av elektroniskt beteende i vriden grafen och andra material.

Nu rapporterar MIT -teamet sina senaste framsteg inom grafen twistronics, i två tidningar som publicerades i veckan i tidningen Natur .

I den första studien, forskarna, tillsammans med medarbetare vid Weizmann Institute of Science, har avbildat och kartlagt en hel vriden grafenstruktur för första gången, med en upplösning som är tillräckligt bra för att de ska kunna se mycket små variationer i lokal vridningsvinkel över hela strukturen.

Resultaten avslöjade områden inom strukturen där vinkeln mellan grafenlagren svängde något bort från den genomsnittliga förskjutningen på 1,1 grader.

Teamet upptäckte dessa variationer med en ultrahög vinkelupplösning på 0,002 grader. Det motsvarar att kunna se ett äppels vinkel mot horisonten på en mils avstånd.

De fann att strukturer med ett snävare vinkelvariationer hade mer uttalade exotiska egenskaper, såsom isolering och supraledning, kontra strukturer med ett större antal vridningsvinklar.

"Det här är första gången en hel enhet har kartlagts för att se vad som är vridningsvinkeln vid ett givet område i enheten, "säger Jarillo-Herrero, Cecil och Ida Green professor i fysik vid MIT. "Och vi ser att du kan ha lite variation och ändå visa supraledning och annan exotisk fysik, men det kan inte bli för mycket. Vi har nu präglat hur mycket vridvariation du kan ha, och vad är nedbrytningseffekten av att ha för mycket. "

I den andra studien, teamrapporten skapar en ny vriden grafenstruktur med inte två, men fyra lager grafen. De observerade att den nya fyrlagers magiska vinkelstrukturen är mer känslig för vissa elektriska och magnetiska fält jämfört med föregångaren i två lager. Detta tyder på att forskare lättare och kontrollerare kan studera de exotiska egenskaperna hos magisk vinkelgrafen i fyrskiktssystem.

"Dessa två studier syftar till att bättre förstå det förvirrande fysiska beteendet hos magiska vinkel twistronics-enheter, "säger Cao, en doktorand vid MIT. "En gång förstått, fysiker tror att dessa enheter kan hjälpa till att designa och konstruera en ny generation av högtemperatur superledare, topologiska anordningar för kvantinformationsbehandling, och lågenergiteknik. "

Som rynkor i plastfolie

Eftersom Jarillo-Herrero och hans grupp först upptäckte grafen med magisk vinkel, andra har hoppat på chansen att observera och mäta dess egenskaper. Flera grupper har avbildat magiska vinkelstrukturer, med hjälp av skanningstunnelmikroskopi, eller STM, en teknik som skannar en yta på atomnivå. Dock, forskare har bara kunnat skanna små fläckar av magisk vinkelgrafen, högst några hundra kvadratmeter nanometer, använder detta tillvägagångssätt.

"Att gå över en hel mikronskala struktur för att titta på miljontals atomer är något som STM inte är bäst lämpad för, "Säger Jarillo-Herrero." I princip skulle det kunna göras, men det skulle ta oerhört mycket tid. "

Så gruppen rådfrågade forskare vid Weizmann Institute for Science, som hade utvecklat en skanningsteknik som de kallar "scanning nano-SQUID, "där SQUID står för supraledande kvantstörningsenhet. Konventionella SQUID liknar en liten tvärsnittsring, vars två halvor är gjorda av supraledande material och sammanfogade av två korsningar. Fit around the tip of a device similar to an STM, a SQUID can measure a sample's magnetic field flowing through the ring at a microscopic scale. The Weizmann Institute researchers scaled down the SQUID design to sense magnetic fields at the nanoscale.

When magic-angle graphene is placed in a small magnetic field, it generates persistent currents across the structure, due to the formation of what are known as "Landau levels." These Landau levels, and hence the persistent currents, are very sensitive to the local twist angle, till exempel, resulting in a magnetic field with a different magnitude, depending on the precise value of the local twist angle. På det här sättet, the nano-SQUID technique can detect regions with tiny offsets from 1.1 degrees.

"It turned out to be an amazing technique that can pick up miniscule angle variations of 0.002 degrees away from 1.1 degrees, " Jarillo-Herrero says. "This was very good for mapping magic-angle graphene."

The group used the technique to map two magic-angle structures:one with a narrow range of twist variations, and another with a broader range.

"We placed one sheet of graphene on top of another, similar to placing plastic wrap on top of plastic wrap, " Jarillo-Herrero says. "You would expect there would be wrinkles, and regions where the two sheets would be a bit twisted, some less twisted, just as we see in graphene."

They found that the structure with a narrower range of twist variations had more pronounced properties of exotic physics, som supraledning, compared with the structure with more twist variations.

"Now that we can directly see these local twist variations, it might be interesting to study how to engineer variations in twist angles to achieve different quantum phases in a device, "Säger Cao.

Tunable physics

Over the past two years, researchers have experimented with different configurations of graphene and other materials to see whether twisting them at certain angles would bring out exotic physical behavior. Jarillo-Herrero's group wondered whether the fascinating physics of magic-angle graphene would hold up if they expanded the structure, to offset not two, but four graphene layers.

Since graphene's discovery nearly 15 years ago, a huge amount of information has been revealed about its properties, not just as a single sheet, but also stacked and aligned in multiple layers—a configuration that is similar to what you find in graphite, or pencil lead.

"Bilayer graphene—two layers at a 0-degree angle from each-other—is a system whose properties we understand well, " Jarillo-Herrero says. "Theoretical calculations have shown that in a bilayer-on-top-of-bilayer structure, the range of angles over which interesting physics would happen is larger. So this type of structure might be more forgiving in terms of making devices."

Partly inspired by this theoretical possibility, the researchers fabricated a new magic-angle structure, offsetting one graphene bilayer with another bilayer by 1.1 degrees. They then connected the new "double-layer" twisted structure to a battery, applied a voltage, and measured the current that flowed through the device as they placed the structure under various conditions, such as a magnetic field, and a perpendicular electric field.

Just like magic-angle structures made from two layers of graphene, the new four-layered structure showed an exotic insulating behavior. But uniquely, the researchers were able to tune this insulating property up and down with an electric field—something that's not possible with two-layered magic-angle graphene.

"This system is highly tunable, meaning we have a lot of control, which will allow us to study things we cannot understand with monolayer magic-angle graphene, "Säger Cao.

"It's still very early in the field, " Jarillo-Herrero says. "For the moment, the physics community is still fascinated just by the phenomena of it. People fantasize about what type of devices we could make but realize it's still too early and we have so much yet to learn about these systems."

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