Forskare vid IMDEA Nanociencia har utvecklat en analysmetod för att förklara bildandet av ett kvasi-perfekt 1D-moirémönster i vriden dubbelskiktsgrafen. Mönstret, som förekommer naturligt i staplade 2D-material när en töjningskraft appliceras, representerar en uppsättning kanaler för elektroner.
Dr. Pierre Pantaleón, forskare vid Group of Theoretical Modeling vid IMDEA Nanociencia, pratade med gruppledaren Prof. Paco Guinea om ansträngd tvåskiktsgrafen, som är två lager grafen staplade ovanpå varandra och lätt utsträckta av en liten kraft . Pierre, en noggrann forskare med en förkärlek för visuella hjälpmedel, visade gruppen sin animerade visualisering av ansträngd grafen när Paco märkte en anomali som hade undgått alla andras granskning.
Som det visar sig, när tvåskiktsgrafen blir ansträngd, förvrängs dess Brillouin-zon (enhetscellen i momentumutrymmet) och kollapsar så småningom i en riktning. Denna förvrängning vid kollapsningspunkten orsakade ett fel i Pierres visualiseringsprogram som antydde närvaron av någon form av singularitet.
Inom fysiken kräver singulariteter, som den som forskarna observerade, noggrant övervägande. De kan indikera att något kan vara fel eller förändras, eller helt enkelt behöver en närmare undersökning. Dr. Andreas Sinner, en teoretisk fysiker som för närvarande arbetar på Opole University i Polen, gick med i Pacos forskargrupp och började titta tillsammans med Pierre på ursprunget till denna singularitet.
Det var den samtidiga förvandlingen i det verkliga rummet som verkligen fångade deras uppmärksamhet:ansträngd grafen gav upphov till uppkomsten av nästan perfekta endimensionella moirémönster – endimensionella kanaler – inom det tvådimensionella materialet.
Tidigare hade forskare skymtat sådana fenomen genom ett mikroskop och hade betraktat dem som designfel som dislokationer eller vidhäftade material. Se till exempel arbetet av McEuen (Cornell University), Mendoza (Rio de Janeiro University) eller Zhu (Columbia University).
Men bakom vad som verkade vara artefakter fanns maskerade effekter. Forskargruppen vid IMDEA Nanociencia bekräftar att detta är en naturlig företeelse inom hexagonala bikakegitter – som de av grafen – som specifikt äger rum när två lager staplas i en liten vridningsvinkel och spänning appliceras.
Det viktigaste bidraget från forskarna ligger i deras upptäckt av analytiska lösningar för den kritiska påfrestning som krävs för att generera dessa endimensionella kanaler. Överraskande nog är den här lösningen vackert enkel och förlitar sig på bara två variabler:vridningsvinkeln och Poisson-förhållandet - en materialspecifik konstant. Dessa fynd leder dem till att skapa en enda matematisk formel för att beskriva fenomenet, och denna formel ger oss information om dess fysiska ursprung.
Fysiken som beskrivs i deras arbete, nu publicerad i Physical Review Letters , är inte ny, men förklaringen av fenomenet i så enkla termer – ett enda analytiskt uttryck – är elegant och unik.
Fynden öppnar dörren för att skapa nya material på ytor som kan ha dessa endimensionella kanaler. Inom dessa kanaler befinner sig elektroner instängda, i motsats till den fria rörelse de uppvisar i det vanliga 2D-grafenlandskapet. Elektroner inom dessa kanaler uppvisar också en föredragen rörelseriktning.
Implikationerna av denna upptäckt är enorma, med potentiella tillämpningar som sträcker sig till andra material, såsom dikalkogenider, som också kan utökas till andra geometriska konfigurationer.
Mer information: Andreas Sinner et al, Strain-Induced Quasi-1D Channels in Twisted Moiré Lattices, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.166402
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av IMDEA Nanociencia
