Forskare som studerar två olika konfigurationer av tvåskiktsgrafen - den tvådimensionella (2D), atomtunn form av kol – har detekterat elektroniska och optiska mellanskiktsresonanser. I dessa resonanstillstånd, elektroner studsar fram och tillbaka mellan de två atomplanen i 2D-gränssnittet med samma frekvens. Genom att karakterisera dessa tillstånd, de fann att vridning av ett av grafenskikten 30 grader i förhållande till det andra, istället för att stapla lagren direkt ovanpå varandra, skiftar resonansen till en lägre energi. Från detta resultat, precis publicerat i Fysiska granskningsbrev , de drog slutsatsen att avståndet mellan de två lagren ökade avsevärt i den vridna konfigurationen, jämfört med den staplade. När detta avstånd ändras, det gör även interaktionerna mellan lagren, påverkar hur elektroner rör sig i dubbelskiktssystemet. En förståelse för denna elektronrörelse skulle kunna informera om utformningen av framtida kvantteknologier för mer kraftfull datoranvändning och säkrare kommunikation.

"Dagens datorchips är baserade på vår kunskap om hur elektroner rör sig i halvledare, speciellt kisel, " sa den första och medkorresponerande författaren Zhongwei Dai, en postdoc i Interface Science and Catalysis Group vid Center for Functional Nanomaterials (CFN) vid US Department of Energy (DOE) Brookhaven National Laboratory. "Men de fysikaliska egenskaperna hos kisel når en fysisk gräns när det gäller hur små transistorer kan tillverkas och hur många som får plats på ett chip. Om vi ​​kan förstå hur elektroner rör sig i den lilla skalan av några nanometer i de reducerade dimensionerna av 2D-material, vi kanske kan låsa upp ett annat sätt att använda elektroner för kvantinformationsvetenskap."

På några nanometer, eller miljarddels meter, storleken på ett materialsystem är jämförbar med våglängden på elektroner. När elektroner är instängda i ett utrymme med dimensioner av deras våglängd, materialets elektroniska och optiska egenskaper förändras. Dessa kvantinneslutningseffekter är resultatet av kvantmekanisk vågliknande rörelse snarare än klassisk mekanisk rörelse, där elektroner rör sig genom ett material och sprids av slumpmässiga defekter.

För denna forskning, teamet valde en enkel materialmodell - grafen - för att undersöka kvantinneslutningseffekter, applicera två olika sonder:elektroner och fotoner (ljuspartiklar). För att undersöka både elektroniska och optiska resonanser, de använde ett speciellt substrat som grafenet kunde överföras till. Medförfattaren och CFN Interface Science and Catalysis Group-forskaren Jurek Sadowski hade tidigare designat detta substrat för Quantum Material Press (QPress). QPress är ett automatiserat verktyg under utveckling i CFN Materials Synthesis and Characterization Facility för syntesen, bearbetning, och karakterisering av skiktade 2D-material. Konventionellt, forskare exfolierar 2D-material "flingor" från 3D-moderkristaller (t.ex. grafen från grafit) på ett kiseldioxidsubstrat flera hundra nanometer tjockt. Dock, detta substrat är isolerande, och därför fungerar inte elektronbaserade förhörstekniker. Så, Sadowski och CFN-forskaren Chang-Yong Nam och Stony Brook Universitys doktorand Ashwanth Subramanian avsatte ett ledande lager av titanoxid endast tre nanometer tjockt på kiseldioxidsubstratet.

"Detta skikt är tillräckligt transparent för optisk karakterisering och bestämning av tjockleken på exfolierade flingor och staplade monolager medan det är tillräckligt ledande för elektronmikroskopi eller synkrotronbaserade spektroskopitekniker, " förklarade Sadowski.

I Charlie Johnson-gruppen vid University of Pennsylvania—Rebecca W. Bushnell professor i fysik och astronomi Charlie Johnson, postdoc Qicheng Zhang, och tidigare postdoc Zhaoli Gao (nu biträdande professor vid kinesiska universitetet i Hong Kong) – odlade grafenen på metallfolier och överförde den till titanoxid/kiseldioxidsubstratet. När grafen odlas på detta sätt, alla tre domänerna (enkla lager, staplade, och vridna) är närvarande.

Sedan, Dai och Sadowski designade och genomförde experiment där de sköt in elektroner i materialet med ett lågenergielektronmikroskop (LEEM) och upptäckte de reflekterade elektronerna. De avfyrade också fotoner från ett laserbaserat optiskt mikroskop med en spektrometer i materialet och analyserade spektrumet av ljus som spreds tillbaka. Detta konfokala Raman-mikroskop är en del av QPress-katalogen, som tillsammans med bildanalysprogramvara, kan peka ut var provområdena är av intresse.

"QPress Raman-mikroskopet gjorde det möjligt för oss att snabbt identifiera målprovområdet, påskynda vår forskning, " sa Dai.

Deras resultat antydde att avståndet mellan lagren i den vridna grafenkonfigurationen ökade med cirka sex procent i förhållande till den icke-tvinnade konfigurationen. Beräkningar av teoretiker vid University of New Hampshire verifierade det unika resonans elektroniska beteendet i den vridna konfigurationen.

"Enheter gjorda av roterad grafen kan ha mycket intressanta och oväntade egenskaper på grund av det ökade avståndet mellan skikten där elektroner kan röra sig, sa Sadowski.

Nästa, teamet kommer att tillverka enheter med vridet grafen. Teamet kommer också att bygga på inledande experiment utförda av CFN-personalforskaren Samuel Tenney och CFN-postdoktorerna Calley Eads och Nikhil Tiwale för att utforska hur att lägga till olika material till den skiktade strukturen påverkar dess elektroniska och optiska egenskaper.

"I denna första forskning, vi valde det enklaste 2D-materialsystemet vi kan syntetisera och kontrollera för att förstå hur elektroner beter sig, " sa Dai. "Vi planerar att fortsätta dessa typer av grundläggande studier, förhoppningsvis kasta ljus över hur man manipulerar material för kvantberäkning och kommunikation."