Konstnärlig visualisering av interbands kollektiva excitationer som lanseras och fortplantas i vriden dubbelskiktsgrafen. Kredit:Matteo Ceccanti.
Twisted bilayer graphene är ett kolbaserat, tvådimensionellt (2D) material som består av två grafenlager. Även om många forskare nyligen har börjat utforska dess potential för supraledning och magnetism, har det hittills gjorts väldigt få optiska studier som undersökt det.
Vridet dubbelskiktsgrafen kan uppvisa mycket andra egenskaper än de för enkla grafenlager, särskilt när de två lagren som den består av roteras i förhållande till varandra med en liten vinkel, ungefär 1 grad. Att undersöka och undersöka dessa egenskaper kan vara mycket värdefullt, eftersom det i slutändan kan förbättra den nuvarande förståelsen av supraledning och underlätta användningen av den för utveckling av nya enheter.
Forskare vid Institute of Photonics Sciences i Barcelona och Massachusetts Institute of Technology (MIT), liksom andra institut över hela världen, har nyligen genomfört en studie som syftar till att undersöka de kollektiva excitationerna av vriden dubbelskiktsgrafen vid en rumslig upplösning på 20 nm, med hjälp av en optisk teknik känd som mid-infrared near-field optisk mikroskopi. Deras ansträngningar beskrivs i en artikel publicerad i Nature Physics , ledde till observationen av interbands kollektiva excitationer i materialet.
– Vriden dubbelskiktsgrafen är intressant för optiska experiment, särskilt på grund av de platta banden i kombination med det första exciterade energibandet som också är relativt platt, säger Niels Hesp, en av forskarna som genomförde studien, till Phys.org. "Som förutspåtts i tidigare teoretiska arbeten möjliggör detta en stark interbandsövergång vid infraröda energier, vilket gör den tillgänglig även vid rumstemperatur. Våra experiment syftade till att studera de kollektiva excitationer som bildas från dessa optiska övergångar."
Optisk närfältsmikroskopi är en avancerad teknik som kan användas för att undersöka de optiska egenskaperna på ett materials yta vid en upplösning på ~20 nm, vilket är långt under diffraktionsgränsen, den punkt där optiska system börjar avbilda objekt dåligt (dvs. , bilderna blir suddiga). Med den här tekniken kopplas ljus in i ett prov via en mycket skarp spets, som också ger det momentum som krävs för att lansera interbandsplasmoner.
Bandstruktur av vriden dubbelskiktsgrafen med en vridningsvinkel på 1,35 \ grader, samma som huvudenheten som studeras. De röda energibanden är kända som de typiska platta banden i TBG, medan de blå banden är de avlägsna banden. Kollektiva excitationer bildas av de starka mellanbandsövergångarna mellan de avlägsna och platta banden (svarta pilar). Kredit:Hesp et al.
"Tack vare ett långt samarbete med Pablo Jarrillo-Herreros grupp vid MIT, hade vi tidig tillgång till deras prover," sa Hesp. "Faktum är att ett av proverna som de tillverkade åt oss 2016 var det första som visade Motts isolerande tillstånd. Den första observationen av interbandsplasmoner i vriden dubbelskiktsgrafen kom som en överraskning när vi körde mätningarna, eftersom vi inte var riktigt säkra på vad att förvänta sig."
De optiska mätningarna som samlats in av Hesp och hans kollegor avslöjade ett förökande plasmonläge i laddningsneutralt vridet dubbelskiktsgrafen som skiljer sig markant från den intrabandsplasmon som observerats i enkelskiktsgrafen. I sin uppsats föreslår teamet att detta kan vara en interbandsplasmon associerad med de optiska övergångarna mellan miniband som härrör från materialets moiré-supergitterstruktur.
"Vårt arbete visar att vriden dubbelskiktsgrafen är lika intressant för optiska studier, särskilt eftersom det är det första systemet där förökande interbandsplasmoner har setts med en rimlig kvalitetsfaktor," sa Hesp. "Denna excitation sker även i ett odopat tillstånd, vilket innebär att ingen extern spänning krävs. Även om tillämpningar i den verkliga världen ligger långt före, utgör den ytterligare en byggsten till den "plasmoniska verktygslådan", som arbetar mot integrerade optiska kretsar i nanoskala."
Observationerna ger värdefull ny insikt om de utmärkande egenskaperna hos det lovande supraledande materialet tvinnat dubbelskiktsgrafen. I framtiden skulle deras arbete således kunna bidra till utvecklingen av olika, nya optiska enheter och integrerade kretsar.
"Eftersom vridna grafenstrukturer bildar en klass av material som är värd för många fascinerande fenomen, har vi i princip precis börjat resan", säger prof. Koppens, ledaren för studien. "Vi siktar nu på att komma åt de korrelerade tillstånden vid kryogena temperaturer med optik. För detta ändamål installerade vi en ny typ av närfältsmikroskop som kan fungera ner till 5K, där vi studerar ljusets interaktion med de starkt interagerande elektronerna. Denna teknik visar sig vara mycket känslig för de elektroniska egenskaperna hos TBG och kan potentiellt peka på de fysiska mekanismerna för supraledande och magnetiska fenomen." + Utforska vidare
© 2021 Science X Network
