Sedan grafen först isolerades och karakteriserades i början av 2000-talet, har forskare undersökt sätt att använda detta atomärt tunna nanomaterial på grund av dess unika egenskaper som hög draghållfasthet och konduktivitet.

På senare år har vriden dubbelskiktsgrafen, gjord av två ark grafen vridna till en specifik "magisk" vinkel, visat sig ha supraledning, vilket betyder att den kan leda elektricitet med mycket lite motstånd. Att använda detta tillvägagångssätt för att tillverka enheter är dock fortfarande utmanande på grund av det låga utbytet av att tillverka tvinnat dubbelskiktsgrafen.

Nu visar en ny studie hur mönstrade, periodiska deformationer av ett enda lager av grafen omvandlar det till ett material med elektroniska egenskaper som tidigare setts i vridna grafenbilager. Detta system är också värd för ytterligare oväntade och intressanta ledande tillstånd vid gränsen. Genom en bättre förståelse av hur unika egenskaper uppstår när enstaka ark av grafen utsätts för periodisk påfrestning, har detta arbete potential att skapa kvantenheter som orbitalmagneter och supraledare i framtiden. Studien, publicerad i Physical Review Letters , genomfördes av doktoranden Võ Tiến Phong och professor Eugene Mele vid Penns institution för fysik och astronomi vid School of Arts &Sciences.

Ett alternativ till den komplexa tvinnade tvåskiktsmetoden är att använda enkla lager av grafen som placeras på ett noggrant mönstrat substrat, känt som en "spikarbädd", som applicerar en yttre kraft, eller påkänning, på ett periodiskt sätt. För att bättre förstå de kvantgeometriska egenskaperna hos detta system, började Mele och Phong förstå teorin bakom hur elektroner rör sig i detta enkelskiktiga system.

Efter att ha kört datorsimuleringar av enskiktsexperiment blev forskarna förvånade över att hitta nya bevis på oväntade fenomen längs materialets yta men bara längs ena sidan. "Generellt associerar topologi i huvuddelen med ytegenskaper, och när så är fallet ärver alla ytor egenskapen", säger Mele. "Här, det faktum att det fanns kantlägen på ena sidan och inte på den andra slog mig som djupt ovanligt."

Detta fynd var oväntat eftersom i detta system det genomsnittliga pseudomagnetiska fältet, inducerat när systemet är ansträngt, var noll - positivt i ett område men negativt i det andra, vilket forskarna antog skulle eliminera alla unika fenomen. "Om magnetfältet är noll kommer du förmodligen inte att få någon intressant fysik", säger Phong. "Tvärtom, vi fann att även om det genomsnittliga magnetfältet är noll, ger det dig fortfarande intressant fysik vid kanten."

För att förklara detta oväntade resultat tog Phong en närmare titt på ett liknande experimentellt system där enstaka ark av grafen böjs för att simulera ett konstant istället för periodiskt töjningsinducerat fält. Phong fann att detta system hade samma topologiska index, vilket betyder att kanttillstånd som bara trivs på en specifik sida av materialet också skulle inträffa. "Fysiken här var liknande och verkade vara den rätta förklaringen till fenomenologin vi arbetade med", säger Phong.

Sammantaget förutspår den här studien att platta band, liknande de som finns i vriden dubbelskiktsgrafen, skapas genom att ett atomärt tunt enkelskikt avsätts på ett substrat med spikar som inducerar en periodisk förvrängning på grafenarket.

Forskarna går redan framåt mot en ännu djupare förståelse av dessa enskiktiga system. En väg för vidare forskning är ett samarbete med biträdande professor Bo Zhen för att studera samma fenomen med hjälp av ljusvågor. Forskarna är också intresserade av att se om andra unika egenskaper som finns i vriden dubbelskiktsgrafen också kan förekomma inom enkelskiktssystem.

"Även om fysiken är enkel, vilket betyder att du kan få systemet att bete sig som du vill på ett mer kontrollerat sätt, är fenomenet som du kan få ut av det inte. Det är väldigt rikt, och vi upptäcker fortfarande nya saker. som vi pratar", säger Phong.

Och eftersom dessa enkelskiktssystem är enklare att arbeta med, har denna förbättrade teoretiska förståelse potential att hjälpa till med framtida upptäckter inom området kanttillståndsfysik, inklusive möjliga nya enheter som ultrasmå, otroligt snabba kvantmaterial.

"Det finns en enorm ansträngning just nu för att förstå dessa vridna grafen-dubbelskikt, och jag tror att en intressant fråga vi spikar här är de väsentliga ingredienserna i ett fysiskt system som faktiskt skulle kunna göra det", säger Mele. "Vi bygger konstgjorda strukturer som du inte kan bygga uppifrån och ner i en intressant längdskala - större än atomer, mindre än du kan göra med litografi - och om du har kontroll över det finns det många saker du kan göra." + Utforska vidare

En glimt inuti en grafensmörgås