Tror du att du vet allt om ett material? Försök att ge det en twist - bokstavligen. Det är huvudidén med ett framväxande fält inom den kondenserade materiens fysik som kallas "twistronics", som har fått forskare att drastiskt ändra egenskaperna hos 2D-material, som grafen, med subtila förändringar - så små som att gå från 1,1° till 1,2° - i vinkeln mellan staplade lager.

Vridna lager av grafen, till exempel, har visat sig bete sig på ett sätt som enstaka ark inte har, inklusive att fungera som magneter, som elektriska supraledare, eller som en supraledares motsats, isolatorer, allt på grund av små förändringar i vridningsvinkeln mellan arken.

I teorin kan du slå in vilken egenskap som helst genom att vrida på en ratt som ändrar vridningsvinkeln. Verkligheten är dock inte så enkel, säger Columbia-fysikern Cory Dean. Två vridna lager av grafen kan bli som ett nytt material, men exakt varför dessa olika egenskaper manifesteras är inte väl förstått, än mindre något som kan kontrolleras fullt ut ännu.

Dean och hans labb har kommit på en enkel ny tillverkningsteknik som kan hjälpa fysiker att undersöka de grundläggande egenskaperna hos vridna lager av grafen och andra 2D-material på ett mer systematiskt och reproducerbart sätt. Att skriva i vetenskap , använder de långa "band" av grafen, snarare än fyrkantiga flingor, för att skapa enheter som erbjuder en ny nivå av förutsägbarhet och kontroll över både vridningsvinkel och töjning.

Grafenenheter har vanligtvis satts ihop av atomtunna flingor av grafen som bara är några kvadratmillimeter. Den resulterande vridningsvinkeln mellan arken fixeras på plats, och flingorna kan vara svåra att lägga ihop jämnt.

"Föreställ dig grafen som bitar av saran-omslag - när du sätter ihop två bitar får du slumpmässiga små rynkor och bubblor", säger postdoc Bjarke Jessen, en medförfattare på tidningen. Dessa bubblor och rynkor är besläktade med förändringar i vridningsvinkeln mellan arken och den fysiska belastningen som utvecklas däremellan och kan få materialet att bucklas, böjas och klämmas slumpmässigt. Alla dessa variationer kan ge nya beteenden, men de har varit svåra att kontrollera inom och mellan enheter.

Band kan hjälpa till att jämna ut saker. Laboratoriets nya forskning visar att de med bara ett litet tryck från spetsen av ett atomkraftmikroskop kan böja ett grafenband till en stabil båge som sedan kan placeras platt ovanpå ett andra, okrökt grafenlager.

Resultatet är en kontinuerlig variation i vridningsvinkeln mellan de två arken som sträcker sig från 0° till 5° över enhetens längd, med jämnt fördelad spänning överallt – inga fler slumpmässiga bubblor eller rynkor att brottas med. "Vi behöver inte längre göra 10 separata enheter med 10 olika vinklar för att se vad som händer", säger postdoc och medförfattare Maëlle Kapfer. "Och nu kan vi kontrollera för belastning, vilket helt saknades i tidigare vridna enheter."

Teamet använde speciella högupplösta mikroskop för att bekräfta hur enhetliga deras enheter var. Med den rumsliga informationen utvecklade de en mekanisk modell som förutsäger vridningsvinklar och töjningsvärden helt enkelt baserat på formen på det böjda bandet.

Detta första papper var fokuserat på att karakterisera beteendet och egenskaperna hos band av grafen såväl som andra material som kan tunnas ut till enkla lager och staplas ovanpå varandra. "Det har fungerat med alla 2D-material som vi har provat hittills", konstaterade Dean.

Härifrån planerar labbet att använda sin nya teknik för att utforska hur de grundläggande egenskaperna hos kvantmaterial förändras som en funktion av vridningsvinkel och töjning. Tidigare forskning har till exempel visat att två vridna lager av grafen fungerar som en supraledare när vridningsvinkeln är 1,1.

Det finns dock konkurrerande modeller för att förklara ursprunget till supraledning vid denna så kallade "magiska vinkel", såväl som förutsägelser om ytterligare magiska vinklar som hittills har varit för svåra att stabilisera, sa Dean. Med enheter gjorda med band, som innehåller alla vinklar mellan 0° och 5°, kan teamet mer exakt utforska ursprunget till detta fenomen och andra.

"Det vi gör är som kvantalkemi:att ta ett material och förvandla det till något annat. Vi har nu en plattform för att systematiskt utforska hur det händer", sa Jessen.

Mer information: Maëlle Kapfer et al, Programmering av vridningsvinkel- och töjningsprofiler i 2D-material, Science (2023). DOI:10.1126/science.ade9995

Journalinformation: Vetenskap

Tillhandahålls av Columbia University