“Regole d’oro” per costruire le masse atomiche

I fisici hanno sviluppato una tecnica per allineare con precisione reticoli ultra-ondulati, rivoluzionando la possibilità della materia quantistica ondulata di prossima generazione.

I fisici dell’Università Nazionale di Singapore (NUS) hanno sviluppato una tecnica per controllare con precisione l’allineamento dei superreticoli ondulati utilizzando una serie di regole d’oro, aprendo la strada alla prossima generazione di materia quantistica ondulata.

Morsetti supermoiré

I motivi moiré si formano quando due strutture periodiche identiche vengono sovrapposte con un angolo di torsione relativo tra loro o due strutture periodiche diverse ma sovrapposte con o senza un angolo di torsione tra loro. L’angolo di torsione è l’angolo tra gli orientamenti cristallografici delle due strutture. Ad esempio, quando Grafene Il nitruro di boro esagonale (hBN) è un materiale stratificato uno sopra l’altro e gli atomi nelle due strutture non si allineano perfettamente, creando uno schema di frange di interferenza, chiamato motivo moiré. Ciò porta alla ricostruzione elettronica.

Il motivo moiré nel grafene e nell’hBN è stato utilizzato per creare nuove strutture con proprietà esotiche, come le correnti topologiche e gli stati delle farfalle di Hofstadter. Quando due motivi moiré vengono impilati insieme, viene creata una nuova struttura chiamata rete moiré. Rispetto ai tradizionali materiali a ondulazione singola, questa rete super-ondulata amplia la gamma di proprietà del materiale modificabili consentendone il potenziale utilizzo in una gamma molto più ampia di applicazioni.

Risultati del Dipartimento di Fisica dell’Università NUS

Un gruppo di ricerca guidato dal professor Ariando del Dipartimento di Fisica dell’Università Nazionale di Singapore ha sviluppato una tecnica ed è riuscito a ottenere l’allineamento controllato della rete supermoiré hBN/grafene/hBN. Questa tecnica consente la disposizione precisa di due motivi moiré, uno sopra l’altro. Nel frattempo, i ricercatori hanno anche formulato la “regola d’oro del tre” per guidare l’uso della loro tecnica per creare reti di super-ondulazione.

I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Comunicazioni sulla natura.

Illustrazione artistica del superreticolo con angoli ritorti (θt e θb) formato tra il grafene e lo strato superiore di nitruro di boro esagonale (T-hBN) e lo strato inferiore di nitruro di boro esagonale (B-hBN). Un leggero disallineamento provoca la formazione di un motivo a rete super ondulato. Credito: Comunicazioni sulla natura

Sfide e soluzioni

Ci sono tre sfide principali nella creazione della rete di grafene ultra-ondulata. Innanzitutto, l’allineamento ottico convenzionale fa molto affidamento sui bordi diritti del grafene, ma trovare un wafer di grafene adatto richiede molto tempo e lavoro; In secondo luogo, anche se viene utilizzato un campione di grafene con bordi diritti, esiste una probabilità bassa (1/8) di ottenere un reticolo superripple a doppio allineamento, a causa dell’incertezza dell’asimmetria dei bordi e della simmetria del reticolo. In terzo luogo, sebbene sia possibile determinare la simmetria dei bordi e la simmetria della mesh, gli errori di allineamento sono spesso grandi (maggiori di 0,5°), poiché è fisicamente difficile allineare due diversi materiali della mesh.

Il dottor Junxiong Hu, autore principale del documento di ricerca, ha dichiarato: “La nostra tecnologia aiuta a risolvere un problema della vita reale. Diversi ricercatori mi hanno detto che di solito ci vuole circa una settimana per fare il campione. Con la nostra tecnologia, non solo è possibile ridurre notevolmente i tempi di produzione, ma anche migliorarli notevolmente Precisione del campione.”

Approfondimenti artistici

Gli scienziati inizialmente utilizzano una “tecnica di rotazione di 30 gradi” per controllare l’allineamento degli strati superiori di hBN e grafene. Quindi utilizzano una “tecnica di inversione” per controllare l’allineamento degli strati hBN superiori e degli strati hBN inferiori. Sulla base di questi due metodi, possono controllare la simmetria del reticolo e ottimizzare la struttura a bande del superreticolo del grafene. Hanno inoltre dimostrato che un bordo di grafite adiacente può servire da guida per l’allineamento dell’impilamento. In questo studio, hanno fabbricato 20 campioni moiré con una precisione migliore di 0,2 gradi.

Il professor Ariando ha dichiarato: “Abbiamo stabilito tre regole d’oro per la nostra tecnologia che possono aiutare molti ricercatori nella comunità dei materiali 2D. Si prevede che il nostro lavoro porterà benefici anche a molti scienziati che lavorano su altri sistemi fortemente interconnessi come il grafene a doppio strato ritorto con angolo magico o il grafene multistrato impilato ABC. Attraverso questo miglioramento tecnico, spero che accelererà lo sviluppo della prossima generazione di materia quantistica ondulatoria.

Sforzi futuri

Attualmente, il gruppo di ricerca sta sfruttando questa tecnologia per fabbricare una rete di grafene super-ondulazione a strato singolo ed esplorare le proprietà uniche di questo sistema di materiale. Inoltre, stanno estendendo l’attuale tecnica anche ad altri sistemi fisici, per scoprire altri nuovi fenomeni quantistici.

Riferimento: “Allineamento controllato del reticolo della superonda in eterostrutture di grafene doppiamente allineate” di Junxiong Hu, Junyou Tan, Mohamad M. Al Ezzi, Udvas Chattopadhyay, Jian Gou, Yuntian Zheng, Zihao Wang, Jiayu Chen, Reshmi Thottathil, Jiangbo Luo, Kenji Watanabe , Takashi Taniguchi, Andrew Thi Chien Wei, Shafik Adam e A. Ariando, 12 luglio 2023, Comunicazioni sulla natura.
doi: 10.1038/s41467-023-39893-5