Физики MIT превратили стержень карандаша в электронное «золото»

Ученые из Массачусетского технологического института (MIT) достигли значительного прогресса в материаловедении, преобразовав обыденный графит в материал с новыми, ранее не наблюдавшимися свойствами. Изолировав пять ультратонких слоев графита и расположив их в определенном порядке, исследователи смогли настроить материал так, чтобы он проявлял три важных качества, которые не встречаются в естественном состоянии этого материала.

"Это похоже на универсальный магазин," отмечает Лонг Жу, ассистент кафедры физики MIT и руководитель исследования, результаты которого были опубликованы в журнале Nature Nanotechnology 5 октября. "Природа полна неожиданностей, и мы даже не подозревали, что графит может скрывать в себе столько интересного."

Исследование дало толчок развитию нового направления в физике, известного как "твистроника". Графит состоит из графена — однослойных листов углерода, уложенных в структуру, напоминающую пчелиные соты. Графен привлекает значительное внимание ученых с момента его открытия около 20 лет назад. Около пяти лет назад команда из MIT обнаружила, что укладка отдельных листов графена под небольшим углом друг к другу придает материалу новые свойства, от сверхпроводимости до магнетизма.

В новом исследовании Жу и его коллеги обнаружили интересные свойства материала без какого-либо скручивания. Они выяснили, что пять слоев графена, уложенных в определенной последовательности, позволяют электронам взаимодействовать друг с другом, что и создает условия для проявления новых свойств.

Для выделения нового материала, названного пентаслоистым ромбоэдрическим стеком графена, был использован новый тип микроскопа, разработанный Жу в MIT в 2021 году. Этот инструмент позволяет быстро и экономично определять различные характеристики материалов на наноуровне.

Используя этот микроскоп, ученые искали многослойный графен с очень точной укладкой, известной как ромбоэдрическая. "Существует более 10 возможных вариантов укладки при переходе к пяти слоям, и ромбоэдрическая — это только один из них," говорит Жу.

После того как была определена необходимая последовательность слоев, исследователи интегрировали электроды в микроскопическую конструкцию, состоящую из защитного слоя нитрида бора, охватывающего ультратонкий пятислойный ромбоэдрический графен. Это позволило им манипулировать электрическими характеристиками материала, изменяя напряжение. В ходе экспериментов было выявлено, что в зависимости от приложенного напряжения материал может демонстрировать изоляционные, магнитные или топологические свойства.

"Мы обнаружили, что материал может быть изолятором, магнитным или топологическим," говорит Жу. Топологические материалы позволяют электронам свободно перемещаться вдоль краев материала, но не через его середину, делая край материала идеальным проводником, а центр — изолятором.

"Наша работа устанавливает ромбоэдрически уложенный многослойный графен как высоко настраиваемую платформу для изучения новых возможностей в области сильно коррелированной и топологической физики," заключают Жу и его соавторы в Nature Nanotechnology.