I decennier har forskare undersökt potentialen hos tvådimensionella material för att förändra vår värld. 2D-material är bara ett enda lager av atomer tjockt. Inom dem kan subatomära partiklar som elektroner bara röra sig i två dimensioner. Denna enkla begränsning kan utlösa ovanligt elektronbeteende, genomsyra materialen med "exotiska" egenskaper som bisarra former av magnetism, supraledning och andra kollektiva beteenden bland elektroner – som alla kan vara användbara inom datorer, kommunikation, energi och andra områden.

Men forskare har generellt antagit att dessa exotiska 2D-egenskaper endast existerar i ark med ett lager, eller korta stackar. De så kallade "bulk"-versionerna av dessa material – med sina mer komplexa 3D-atomstrukturer – borde bete sig annorlunda.

Eller så trodde de.

I en tidning publicerad 19 juli i Nature , rapporterar ett team som leds av forskare vid University of Washington att det är möjligt att genomsyra grafit – huvuddelen av 3D-material som finns i nr 2 pennor – med fysiska egenskaper som liknar grafitens 2D-motsvarighet, grafen. Inte bara var detta genombrott oväntat, teamet tror också att dess tillvägagångssätt kan användas för att testa om liknande typer av bulkmaterial också kan anta 2D-liknande egenskaper. Om så är fallet kommer 2D-ark inte att vara den enda källan för forskare att underblåsa tekniska revolutioner. Massa, 3D-material kan vara lika användbart.

"Att stapla ett lager på ett lager - eller två lager på två lager - har varit fokus för att låsa upp ny fysik i 2D-material i flera år nu. I dessa experimentella tillvägagångssätt, det är där många intressanta egenskaper framträder", säger seniorförfattaren Matthew Yankowitz. en UW biträdande professor i fysik och materialvetenskap och teknik. "Men vad händer om du fortsätter att lägga till lager? Så småningom måste det sluta, eller hur? Det är vad intuitionen antyder. Men i det här fallet är intuitionen fel. Det är möjligt att blanda 2D-egenskaper i 3D-material."

Teamet, som också inkluderar forskare vid Osaka University och National Institute for Materials Science i Japan, anpassade ett tillvägagångssätt som vanligtvis används för att undersöka och manipulera egenskaperna hos 2D-material:stapla ihop 2D-ark i en liten vridningsvinkel. Yankowitz och hans kollegor placerade ett enda lager grafen ovanpå en tunn, bulk grafitkristall och introducerade sedan en vridningsvinkel på cirka 1 grad mellan grafit och grafen. De upptäckte nya och oväntade elektriska egenskaper, inte bara vid det vridna gränssnittet, utan också djupt inne i bulken grafit.

Vridningsvinkeln är avgörande för att generera dessa egenskaper, säger Yankowitz, som också är fakultetsmedlem i UW Clean Energy Institute och UW Institute for Nano-Engineered Systems. En vridningsvinkel mellan 2D-ark, som två ark grafen, skapar vad som kallas ett moirémönster, som förändrar flödet av laddade partiklar som elektroner och inducerar exotiska egenskaper i materialet.

I de UW-ledda experimenten med grafit och grafen inducerade vridningsvinkeln också ett moirémönster, med överraskande resultat. Även om endast ett enda ark grafen ovanpå bulkkristallen var vriden, fann forskare att de elektriska egenskaperna hos hela materialet skilde sig markant från typisk grafit. Och när de slog på ett magnetfält, antog elektroner djupt i grafitkristallen ovanliga egenskaper som liknar elektronerna vid det vridna gränssnittet.

I huvudsak blev det enda vridna grafen-grafitgränssnittet oupplösligt blandat med resten av bulkgrafiten.

"Även om vi genererade moirémönstret endast vid grafitens yta, blödde de resulterande egenskaperna över hela kristallen", säger medförfattaren Dacen Waters, en UW postdoktoral forskare i fysik.

För 2D-ark genererar moirémönster egenskaper som kan vara användbara för kvantberäkning och andra applikationer. Att framkalla liknande fenomen i 3D-material låser upp nya tillvägagångssätt för att studera ovanliga och exotiska tillstånd av materia och hur man tar ut dem från laboratoriet och in i våra vardagliga liv.

"Hela kristallen tar det här 2D-tillståndet", säger medförfattaren Ellis Thompson, en doktorand i fysik från UW. "Detta är ett fundamentalt nytt sätt att påverka elektronbeteende i ett bulkmaterial."

Yankowitz och hans team tror att deras tillvägagångssätt att skapa en vridningsvinkel mellan grafen och en bulkgrafitkristall kan användas för att skapa 2D-3D-hybrider av dess systermaterial, inklusive volframditellurid och zirkoniumpentatellurid. Detta kan låsa upp ett nytt tillvägagångssätt för att omarbeta egenskaperna hos konventionella bulkmaterial med ett enda 2D-gränssnitt.

"Denna metod kan bli en riktigt rik lekplats för att studera spännande nya fysikaliska fenomen i material med blandade 2D- och 3D-egenskaper", sa Yankowitz.

Mer information: Matthew Yankowitz, Blanddimensionella moirésystem av vridna grafitiska tunna filmer, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06290-3. www.nature.com/articles/s41586-023-06290-3

Journalinformation: Natur

Tillhandahålls av University of Washington