Forskare vid National Graphene Institute (NGI) vid University of Manchester har återbesökt ett av de äldsta materialen på jorden – grafit – och upptäckt ny fysik som har gäckat området i årtionden.
Trots att den helt är gjord av lager av kolatomer arrangerade i ett bikakemönster, är naturlig grafit inte så enkel som man kan tro. Sättet på vilket dessa atomlager staplas ovanpå varandra kan resultera i olika typer av grafit, som kännetecknas av olika staplingsordning av på varandra följande atomplan.
Majoriteten av naturligt förekommande grafit har hexagonal stapling, vilket gör det till ett av de mest "vanliga" materialen på jorden. Strukturen av grafitkristall är ett repetitivt mönster. Det här mönstret störs vid kristallens yta och leder till vad som kallas "yttillstånd", som är som vågor som sakta tonar bort när du går djupare in i kristallen. Men hur yttillstånd kan ställas in i grafit, var inte väl förstått ännu.
Van der Waals-teknologi och twistronics (stapling av två 2D-kristaller i en vridningsvinkel för att justera egenskaperna hos den resulterande strukturen i stor utsträckning, på grund av moirémönster som bildas vid deras gränssnitt) är de två ledande områdena inom 2D-materialforskning. Nu använder teamet av NGI-forskare, ledda av prof. Artem Mishchenko, moirémönster för att justera grafitens yttillstånd, som påminner om ett kalejdoskop med ständigt föränderliga bilder när man roterar linsen, vilket avslöjar den extraordinära nya fysiken bakom grafit.
Prof. Mishchenko utökade särskilt twistronics-tekniken till tredimensionell grafit och fann att moirépotentialen inte bara modifierar yttillstånden hos grafit, utan också påverkar det elektroniska spektrumet för hela bulken av grafitkristall. Ungefär som den välkända historien om Prinsessan och ärten, kände prinsessan på ärten rakt igenom de tjugo madrasserna och de tjugo ejderdunsängarna. I fallet med grafit kan moirépotentialen vid ett inriktat gränssnitt penetrera mer än 40 atomära grafitiska lager.
Denna forskning, publicerad i det senaste numret av Nature , studerade effekterna av moirémönster i bulk hexagonal grafit genererad genom kristallografisk inriktning med hexagonal bornitrid. Det mest fascinerande resultatet är observationen av en 2,5-dimensionell blandning av ytan och bulktillstånden i grafit, vilket manifesterar sig i en ny typ av fraktal kvant Hall-effekt – en 2,5D Hofstadters fjäril.
Prof. Artem Mishchenko vid University of Manchester, som redan har upptäckt den 2,5-dimensionella kvanthalleffekten i grafit, sa:"Grafit gav upphov till den berömda grafenen, men folk är normalt inte intresserade av detta "gamla" material. Och nu, även med vår samlade kunskap om grafit av olika staplings- och inriktningsordningar under de senaste åren, fann vi fortfarande grafit som ett mycket attraktivt system – så mycket som återstår att utforska."
Ciaran Mullan, en av de ledande författarna till tidningen, tillade:"Vårt arbete öppnar nya möjligheter för att kontrollera elektroniska egenskaper med twistronics, inte bara i 2D utan också i 3D-material."
Prof. Vladimir Fal'ko, chef för National Graphene Institute och teoretisk fysiker vid institutionen för fysik och astronomi, tillade:"Den ovanliga 2.5D kvanthalleffekten i grafit uppstår när samspelet mellan två fenomen i kvantfysikläroboken - Landau-kvantisering i starka magnetfält och kvantinneslutning, vilket leder till ännu en ny typ av kvanteffekt."
Samma team fortsätter nu med grafitforskningen för att få en bättre förståelse av detta förvånansvärt intressanta material.
Mer information: Ciaran Mullan et al, Blandning av moiré-yta och bulktillstånd i grafit, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06264-5
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av University of Manchester
