Grafenin İstiflenmesi ve Bükülmesi ile Açılan Nadir Manyetizma Şekli

6
Tek tabakalı ve iki tabakalı grafen tabakaları bir bükülme ile istiflemek, nadir bir manyetizma biçimi de dahil olmak üzere yeni kolektif elektronik durumlara yol açar. Kredi: Columbia Üniversitesi

Tek tabakayı ve iki tabakalı bir grafen tabakasını üç tabakalı bir yapıya bükmek, yeni kuantum mekaniği durumlarına yol açar.

15 yıldan daha uzun bir süre önce grafenin keşfedilmesinden bu yana, araştırmacılar benzersiz özelliklerinin kilidini açmak için küresel bir yarış içindeler. Altıgen bir kafes içinde düzenlenmiş bir atom kalınlığında bir karbon tabakası olan grafen, insanoğlunun bildiği en güçlü ve en ince malzeme olmakla kalmaz, aynı zamanda mükemmel bir ısı ve elektrik iletkenidir.

Şimdi, Columbia Üniversitesi ve Washington Üniversitesi’ndeki bir araştırma ekibi, nadir görülen bir manyetizma biçimi de dahil olmak üzere çeşitli egzotik elektronik durumların üç katmanlı bir grafen yapıda ortaya çıkabileceğini keşfetti.

Bulgular, 12 Ekim 2020’de Nature Physics’te yayınlanan bir makalede yer alıyor .

Çalışma, iki veya dört toplam tabakadan oluşan, bükülmüş tek tabakalar veya bükülmüş çift grafen tabakaları üzerine yapılan son çalışmalardan esinlenmiştir. Bu malzemelerin, elektronlar arasındaki güçlü etkileşimlerden kaynaklanan bir dizi olağandışı elektronik duruma ev sahipliği yaptığı bulundu.

Columbia Üniversitesi’nde fizik profesörü ve makalenin kıdemli yazarlarından biri olan Cory Dean, “Grafen tekli katmanları ve çift katmanları bükülmüş üç katmanlı bir sistemde birleştirirsek ne olacağını merak ettik” dedi. “Grafen katmanlarının sayısını değiştirmenin, bu kompozit malzemelere daha önce görülmemiş bazı heyecan verici yeni özellikler kazandırdığını gördük.”

Dekan’a ek olarak, Washington Üniversitesi’nde fizik ve malzeme bilimi ve mühendisliği bölümlerinde çalışan Yardımcı Doçent Matthew Yankowitz ve Profesör Xiaodong Xu, çalışmanın kıdemli yazarlarıdır. Columbia lisansüstü öğrencisi Shaowen Chen ve Washington Üniversitesi yüksek lisans öğrencisi Minhao He, gazetenin yardımcı yazarlarıdır.

Araştırmacılar deneylerini gerçekleştirmek için tek tabakalı bir grafen tabakasını iki tabakalı bir tabakaya yığdılar ve yaklaşık 1 derece büktüler. Ekip, mutlak sıfırın birkaç derece üzerindeki sıcaklıklarda, elektronlar arasındaki güçlü etkileşimlerden kaynaklanan, elektrik iletmeyen bir dizi yalıtım durumu gözlemledi. Ayrıca bu durumların grafen levhalara bir elektrik alanı uygulayarak kontrol edilebileceğini buldular.

Dean’s grubunun eski bir doktora sonrası araştırmacısı olan Yankowitz, “Uygulamalı bir elektrik alanının yönünün çok önemli olduğunu öğrendik” dedi.

Araştırmacılar elektrik alanını tek tabakalı grafen tabakasına doğru işaret ettiklerinde, sistem bükülmüş iki tabakalı grafene benziyordu. Ancak elektrik alanın yönünü çevirdiklerinde ve onu iki katmanlı grafen levhaya doğru işaret ettiklerinde, bükülmüş çift katmanlı grafeni – dört katmanlı yapıyı taklit etti.

Ekip ayrıca sistemde yeni manyetik durumlar keşfetti. Elektronların “spin” adı verilen kuantum mekaniksel özelliği ile tahrik edilen geleneksel mıknatısların aksine, ekibin üç katmanlı yapısındaki elektronların toplu bir dönme hareketi manyetizmanın altında yatıyor.

Bu manyetizma formu, son zamanlarda diğer araştırmacılar tarafından bor nitrür kristallerine dayanan çeşitli grafen yapılarında keşfedildi. Ekip, şimdi tamamen grafen ile inşa edilmiş daha basit bir sistemde de gözlemlenebileceğini gösterdi.

Yankowitz, “Saf karbon manyetik değildir” dedi. “Dikkat çekici bir şekilde, üç grafen tabakamızı sadece doğru bükülme açılarında düzenleyerek bu mülkü tasarlayabiliriz.”

Manyetizmaya ek olarak, çalışma yapıdaki topoloji işaretlerini ortaya çıkardı. Xu, bir ipte farklı düğüm türlerini bağlamaya benzer şekilde, malzemenin topolojik özelliklerinin, “kuantum hesaplama için bir platform veya enerji açısından verimli yeni veri depolama uygulamaları için bir platform olabilecek” yeni bilgi depolama biçimlerine yol açabileceğini söyledi.

Şimdilik, bu platformda keşfettikleri yeni durumların temel özelliklerini daha iyi anlamak için deneyler üzerinde çalışıyorlar. “Bu gerçekten sadece başlangıç,” dedi Yankowitz.

Referans: Shaowen Chen, Minhao He, Ya-Hui Zhang, Valerie Hsieh, Zaiyao Fei, K. Watanabe, T. Taniguchi, David H. Cobden, Xiaodong Xu, “Bükülmüş tek tabakalı-iki tabakalı grafende elektriksel olarak ayarlanabilen korelasyonlu ve topolojik durumlar”, Cory R. Dean ve Matthew Yankowitz, 12 Ekim 2020, Doğa Fiziği.

“Bükülmüş tek tabakalı-iki tabakalı grafende elektrikle ayarlanabilen korelasyonlu ve topolojik durumlar” çalışması, Amerika Birleşik Devletleri Enerji Bakanlığı (DOE), Bilim Ofisi ve Temel Enerji tarafından finanse edilen bir Enerji Sınır Araştırma Merkezi olan Programlanabilir Kuantum Malzemelerinin desteğiyle geliştirilmiştir.


YORUM YAP

Lütfen yorumunuzu giriniz!
Lütfen isminizi buraya giriniz