فیزیکدانان پیدا منحرف کربن ورق عملکرد بی نظیر خواص

ماده ای تشکیل شده از دو یک اتم ضخامت لایه از کربن است برداشت توجه فیزیکدانان در سراسر جهان برای خود جذاب-و به طور بالقوه بهره برداری -- رسانا خواص.

دکتر Fan Zhang استادیار فیزیک در دانشکده علوم طبیعی و ریاضیات در دانشگاه تگزاس در دالاس و فیزیک دانشجوی دکترای Qiyue وانگ مقاله منتشر شده در ماه ژوئن با دکتر Fengnian Xia گروه در دانشگاه ییل در طبیعت فوتونیک است که توضیح می دهد چگونه توانایی پیچیده bilayer گرافن به جریان الکتریکی انجام تغییرات در پاسخ به اواسط نور مادون قرمز.

از یک تا دو لایه

گرافن تک لایه از اتم های کربن مرتب در یک تخت طرح لانه زنبوری که در آن هر یک شش ضلعی تشکیل شده است که شش اتم کربن در رئوس آن است. پس از گرافن برای اولین بار جداسازی در سال 2004 خواص منحصر به فرد آن شده است به شدت مورد مطالعه توسط دانشمندان برای استفاده بالقوه در پیشرفته کامپیوتر, مواد و دستگاه های.

اگر دو ورق گرافن هستند انباشته در بالای یک دیگر و یک لایه چرخش است به طوری که لایه های کمی از تراز حاصل فیزیکی پیکربندی به نام پیچ خورده bilayer گرافن عملکرد خواص الکترونیکی است که به طور قابل توجهی متفاوت از آن به نمایش گذاشته شده توسط یک تک لایه به تنهایی و یا با دو تراز وسط قرار دارد لایه.

"گرافن شده است از علاقه برای حدود 15 سال" ژانگ گفت. "یک تک لایه جالب است که به مطالعه اما اگر ما دو لایه تعامل خود را باید رندر بسیار غنی تر و جالب فیزیک. این است که چرا ما می خواهیم به مطالعه bilayer گرافن سیستم است."

یک رشته جدید پدیدار

زمانی که گرافن لایه misaligned جدید تناوبی طراحی در مش پدیدار به نام تکنيک ماره الگوی. از تکنيک ماره الگوی همچنین شش گوشه اما می توان آن را ساخته شده از بیش از 10000 اتم های کربن.

"زاویه که در آن دو لایه از گرافن در حال منحرف -- زاویه پیچ و تاب -- مهم است به مواد الکترونیکی خواص" وانگ گفت. "کوچکتر زاویه پیچ و تاب بزرگتر تکنيک ماره تناوب."

غیر معمول اثرات خاص پیچ و تاب و زوایای الکترون رفتار شد و برای اولین بار ارائه شده در سال 2011 مقاله توسط دکتر آلن مک دونالد, استاد فیزیک در UT Austin و دکتر رفیع Bistritzer. ژانگ شاهد تولد این زمینه به عنوان یک دانشجوی دکتری در مک دونالد ،

"در آن زمان دیگران واقعا پرداخت می شود بدون توجه به نظریه اما در حال حاضر آن را تبدیل به مسلما داغترین موضوع در فیزیک" ژانگ گفت.

در این پژوهش 2011 مک دونالد و Bistritzer پیش بینی شده است که الکترون ها' انرژی جنبشی می تواند ناپدید می شوند در یک گرافن bilayer منحرف به اصطلاح "سحر و جادو زاویه" از 1.1 درجه است. در سال 2018 محققان در موسسه تکنولوژی ماساچوست اثبات این نظریه پیدا کردن که جبران دو گرافن لایه 1.1 درجه تولید دو بعدی ابررسانا مواد هستند که جریان الکتریکی بدون مقاومت و بدون از دست دادن انرژی.

در یک 2019 مقاله در علم پیشرفت ژانگ و وانگ همراه با دکتر Jeanie لاو گروه در دانشگاه ایالتی اوهایو نشان داد که زمانی که توسط 0.93 درجه, پیچ خورده bilayer گرافن نمایشگاه هر دو ابررسانا و عایق متحده در نتیجه گسترش سحر و جادو زاویه به طور قابل توجهی.

"ما در کار قبلی ما شاهد ابررسانایی به عنوان به خوبی به عنوان عایق. این چیزی است که در ساخت این مطالعه از پیچیده bilayer گرافن این زمینه -- ابررسانايی. این واقعیت است که شما می توانید دستکاری خالص کربن به superconduct است شگفت انگیز و بی سابقه" وانگ گفت.

جدید UT Dallas یافته

در تازه ترین تحقیقات در طبیعت فوتونیک ژانگ و همکارانش در دانشگاه ییل بررسی اینکه آیا و چگونه پیچ خورده bilayer گرافن در تعامل با اواسط نور مادون قرمز است که انسان را نمی بینم اما می تواند تشخیص دهد که گرما. "برهمکنش بین نور و ماده مفید هستند و در بسیاری از دستگاه های -- برای مثال تبدیل نور خورشید به انرژی الکتریکی" وانگ گفت. "تقریبا هر شیء ساطع نور مادون قرمز از جمله مردم و این نور می توان با دستگاه های."

ژانگ یک فیزیکدان نظری بنابراین او و وانگ مجموعه ای را برای تعیین چگونگی اواسط نور مادون قرمز ممکن است تحت تاثیر قرار رسانش الکترونی در پیچ bilayer گرافن. کار خود را درگیر محاسبه جذب نور بر اساس تکنيک ماره الگوی ساختار نواری یک مفهوم است که تعیین کننده چگونگی حرکت الکترون در مواد کوانتومی مکانیکی.

"استاندارد وجود دارد, راه هایی برای محاسبه ساختار باند و جذب نور به طور منظم در یک کریستال, اما این یک مصنوعی کریستال بنابراین ما تا به حال به آمده تا با یک روش جدید" وانگ گفت. با استفاده از منابع Texas Advanced Computing مرکز ابر رایانه تسهیلات در UT Austin دانشگاه وانگ محاسبه ساختار باند و نشان داد که چگونه این مواد را جذب نور است.

دانشگاه ییل گروه ساخته دستگاه ها و زد آزمایش نشان می دهد که اواسط مادون قرمز photoresponse -- افزایش رسانش با توجه به نور درخشان -- بود غیر منتظره ای قوی و بزرگترین در پیچ و تاب و زاویه 1.8 درجه است. قوی photoresponse از بین رفت برای یک پیچ و تاب و زاویه کمتر از 0.5 درجه است.

"ما نتایج نظری نه تنها همسان خوبی با یافته های تجربی, اما همچنین با اشاره به ساز و کاری است که اساسا متصل به این دوره از تکنيک ماره الگوی است که خود را متصل به پیچ و تاب و زاویه بین دو گرافن لایه" ژانگ گفت.

گام بعدی

"زاویه پیچ و تاب است که به وضوح بسیار مهم در تعیین خواص پیچیده bilayer گرافن" ژانگ اضافه شده است. "این سوال مطرح می شود: آیا ما می توانیم این اعمال به لحن دیگر دو بعدی مواد به بی سابقه ای ویژگی های ؟ همچنین می توانید با ما با ترکیب photoresponse و ابررسانايی در پیچ bilayer گرافن? برای مثال می توانید درخشان نور القاء و یا به نوعی زیر و بم ابررسانايی? که خواهد شد بسیار جالب برای مطالعه است."

"این دستیابی به موفقیت جدید را به طور بالقوه فعال کردن یک کلاس جدید از آشکارسازهای مادون قرمز مبتنی بر گرافن با حساسیت بالا," دکتر گفت: جو کیو مدیر برنامه به صورت جامد-دولت الکترونیک و الکترومغناطیس در ارتش ایالات متحده دفتر پژوهش (ARO) یک عنصر از ارتش ایالات متحده مبارزه با قابلیت های توسعه فرماندهی ارتش آزمایشگاه تحقیقاتی. "این آشکارسازهای را به طور بالقوه تاثیر برنامه های کاربردی مانند دید در شب است که از اهمیت حیاتی برای ارتش ایالات متحده."

###

علاوه بر این محققان دانشگاه ییل دیگر نویسندگان شامل دانشمندان از موسسه ملی علم مواد ژاپن است. این ARO بنیاد ملی علوم آمریکا و دفتر تحقیقات نیروی دریایی داشتند.