Sedan upptäckten av grafen för mer än 15 år sedan, forskare har varit i en global kapplöpning för att låsa upp dess unika egenskaper. Inte bara är grafen - ett enatomtjockt ark av kol ordnat i ett sexkantigt gitter - det starkaste, det tunnaste materialet som människan känner, det är också en utmärkt ledare av värme och elektricitet.

Nu, ett team av forskare vid Columbia University och University of Washington har upptäckt att en mängd olika exotiska elektroniska tillstånd, inklusive en sällsynt form av magnetism, kan uppstå i en trelagers grafenstruktur.

Fynden visas i en artikel publicerad 12 oktober in Naturfysik .

Verket var inspirerat av nyare studier av vridna monolager eller vridna dubbellager av grafen, bestående av antingen två eller fyra totala ark. Dessa material visade sig vara värd för en rad ovanliga elektroniska tillstånd som drivs av starka interaktioner mellan elektroner.

"Vi undrade vad som skulle hända om vi kombinerade grafenmonoskikt och dubbelskikt till ett vridet treskiktssystem, sa Cory Dean, en professor i fysik vid Columbia University och en av tidningens seniorförfattare. "Vi fann att en variation av antalet grafenlager ger dessa kompositmaterial några spännande nya egenskaper som inte har setts tidigare."

Förutom Dean, Biträdande professor Matthew Yankowitz och professor Xiaodong Xu, både på avdelningarna för fysik och materialvetenskap och teknik vid University of Washington, är seniora författare på verket. Columbia doktorand Shaowen Chen, och University of Washington doktorand Minhao He är tidningens huvudförfattare.

För att genomföra sitt experiment, forskarna staplade ett enskiktsark av grafen på ett dubbelskiktsark och vred dem med cirka 1 grad. Vid temperaturer några grader över den absoluta nollpunkten, teamet observerade en rad isolerande tillstånd - som inte leder elektricitet - som drivs av stark interaktion mellan elektroner. De fann också att dessa tillstånd kunde kontrolleras genom att applicera ett elektriskt fält över grafenarken.

"Vi lärde oss att riktningen för ett applicerat elektriskt fält betyder mycket, sade Yankowitz, som också är tidigare postdoktor i Deans grupp.

När forskarna pekade det elektriska fältet mot det monolager grafenarket, systemet liknade vridet tvåskiktsgrafen. Men när de vände riktningen för det elektriska fältet och pekade det mot det tvåskiktiga grafenarket, den efterliknade tvinnat dubbelskiktsgrafen – fyrskiktsstrukturen.

Teamet upptäckte också nya magnetiska tillstånd i systemet. Till skillnad från konventionella magneter, som drivs av en kvantmekanisk egenskap hos elektroner som kallas "spin, "en samlad virvlande rörelse av elektronerna i lagets trelagerstruktur ligger bakom magnetismen, de observerade.

Denna form av magnetism upptäcktes nyligen av andra forskare i olika strukturer av grafen vilande på kristaller av bornitrid. Teamet har nu visat att det också kan observeras i ett enklare system konstruerat helt med grafen.

"Rent kol är inte magnetiskt, sade Yankowitz. Anmärkningsvärt nog, vi kan konstruera den här egenskapen genom att arrangera våra tre grafenark i precis rätt vridningsvinklar."

Förutom magnetismen, studien avslöjade tecken på topologi i strukturen. Som att knyta olika typer av knutar i ett rep, materialets topologiska egenskaper kan leda till nya former av informationslagring, som "kan vara en plattform för kvantberäkning eller nya typer av energieffektiva datalagringsapplikationer, " sa Xu.

Tills vidare, de arbetar med experiment för att ytterligare förstå de grundläggande egenskaperna hos de nya tillstånden de upptäckte i den här plattformen. "Detta är egentligen bara början, sa Yankowitz.