Även om tvinnade ark av dubbelskiktsgrafen har studerats omfattande de senaste åren, saknas det fortfarande bitar i pusslet som är dess fasdiagram - systemets olika ostörda grundtillstånd. Skriver i Naturfysik , Carmen Rubio-Verdú och kollegor har hittat en ny pusselbit:en elektronisk nematisk fas.

Först beskrevs i ett annat tillstånd av materia som kallas en flytande kristall, en nematisk fas uppstår när partiklar i ett material bryter en annars symmetrisk struktur och kommer att orientera sig löst med varandra längs samma axel. Detta fenomen är grunden för den LCD-skärm som vanligtvis används i tv-apparater och datorskärmar. I en elektronisk nematisk fas är partiklarna i fråga elektroner, vars beteende och arrangemang i ett material kan påverka hur väl det materialet kommer att leda en elektrisk ström i olika riktningar.

"Datan är fantastisk", säger medförfattaren Rafael Fernandes, en teoretisk fysiker vid University of Minnesota som träffade seniorförfattaren Abhay Pasupathy som postdoc vid Columbia. "Du kan tydligt se att det finns en symmetri som bryts."

Brutna symmetrier ger ofta nya kvanteffekter, förklarade han. Vridet dubbelskiktsgrafen har vanligtvis trefaldig symmetri – oavsett hur många gånger du roterar en bild av den i 120 graders varv förblir den densamma. Med hjälp av skanningstunnelmikroskopi och spektroskopi för att registrera de elektroniska egenskaperna hos enskilda atomer, spelade Rubio-Verdú och hennes kollegor in vridet grafen vid olika spänningar. "Vad vi ser är ränder," sa hon - det är elektroner som återjusterar och bryter provets symmetri, även om det underliggande atomgittret förblir detsamma. I denna observerade nematiska fas kan bilden nu bara vändas 180 grader.

"Dessa faser uppstår från elektron-elektroninteraktioner", säger Rubio-Verdú, en Marie Skłodowska-Curie Actions Fellow som studerar elektroniska faser i moirématerial som vriden grafen med Pasupati. "Att hitta en ny fas som den här är spännande eftersom det bidrar till vår holistiska förståelse av grafenbaserade system."

Tidigare experiment antydde att en sådan korrelerad elektronisk fas existerade i vriden grafen, men det var oklart om detta faktiskt var resultatet av påfrestningar över det vridna materialet. Stam kan också locka elektroner att röra sig, men detta är en mekanisk snarare än elektronisk effekt, förklarade Rubio-Verdú. I detta experiment använde teamet ett vridet grafenprov som var relativt stort men hade extremt låg töjning - bara 0,03 procent. "Vi tittar på hundratals nanometer och effekten kvarstår," sa Rubio-Verdú. "Detta är en verklig elektronisk nematisk fas."

Teoretiskt sett skulle en sådan fas kunna existera i vilket grafenbaserat material som helst. I framtida arbete planerar teamet att undersöka hur den nematiska fasen påverkar tvinnad dubbelskiktsgrafens förmåga att leda en elektrisk ström.

Att förstå hela sviten av elektroniskt beteende i moirématerial som vridet grafen kan en dag hjälpa fysiker att förstå en annan kvantfas, supraledning, där en elektrisk ström rör sig genom ett material med noll motstånd. Denna fas inträffar dock för närvarande vid mycket låga temperaturer - även så kallade högtemperatursupraledare, som används i enheter som MRI-maskiner, måste hållas nästan 100 °F under noll. Även om moirématerial som vriden grafen studeras vid temperaturer nära -450 °F, delar de likheter med högtemperatursupraledare, sa Rubio-Verdú, som supraledande och isolerande tillstånd som är beroende av elektrondopning.

Fältet ställer fortfarande grundläggande frågor om arten av moirématerial, men upptäckten av en elektronisk nematisk fas i vriden dubbellagersgrafen är bara ytterligare en bit av det pussel som nu lagts på plats. "Vi ser elektronisk nematicitet i en annan klass av föreningar", säger Fernandes. "När människor kommer på alla möjliga olika sätt att vrida olika lager, vill vi nu ta reda på vad som är vanligt och robust." + Utforska vidare

Observationen av korrelerade tillstånd och supraledning i vriden treskiktsgrafen