Графен дает 3D-графиту потрясающие возможности

Укладка двух слегка перекошенных листов графена друг на друга в последние годы привела к феноменальной физике, включая настраиваемую сверхпроводимость, квантовую память и странные новые состояния материи, включающие «сгустки» электронов. Любопытное поведение этих систем проявляется при угле «поворота» между шестиугольным узором на двух листах, составляющем всего 1,1 градуса. И с появлением такого большого количества новой физики, технологические применения так называемого скрученного двухслойного графена только начинают представляться, с загадочными тепловыми, оптическими, электронными, материальными и другими свойствами, которые только и ждут своего развития.

Теперь ученые в Соединенных Штатах и ​​Великобритании начали исследовать внешние границы этих сложенных двумерных систем: что, если только один из двух слоев этих бислоев имел толщину в один атом? Сколько слоев можно добавить к основной массе, пока магия двухслойности не исчезнет? К удивлению этих исследователей, некоторые свойства двухслойного слоя сохранились даже внутри толстых трехмерных стопок графита.

Странное поведение, наблюдаемое сейчас в графите плюс графен, заставляет исследователей вновь обратиться к странным свойствам обычного графита, наблюдаемым с 1970-х годов.

«Некоторое время считалось, что... если это многослойный металл, он ведет себя как трехмерный», — говорит Владимир Фалько, профессор теоретической физики Манчестерского университета в Англии. «Было довольно необычно видеть, что в такой толстой пленке графита можно было увидеть двумерное поведение».

В своем стремлении понять пределы квантового поведения тонких слоев исследовательские группы из Вашингтонского и Манчестерского университетов создали две несколько разные установки. Группа из Вашингтонского университета покрыла толстую графитовую стопку одним слоем графена, скрученным под небольшим углом. Команда Манчестерского университета использовала аналогичную графитовую стопку, но вместо этого покрыла ее одним слоем двумерного листового состояния нитрида бора.

Оба подхода создают одну и ту же структуру между двумя верхними слоями стека — так называемую муаровую сверхрешетку. Ее называют сверхрешеткой, потому что несовпадающий угол между двумя слоями добавляет в систему новые виды муаровых узоров. В случае верхнего слоя скрученного графена несоответствие возникает из-за угла скручивания между шестиугольными ячейками каждого листа, тогда как в случае верхнего слоя из нитрида бора несоответствие возникает из-за немного разных периодов решетки нитрида бора и графита под ним.

Под воздействием сильных магнитных полей муаровые сверхрешетки претерпевают значительные преобразования из-за значительного увеличения шага решетки. В этом сценарии значительно больший магнитный поток теперь может пробить одну решетчатую пластинку, еще больше трансформируя и без того странные свойства материала. По мере настройки поля проводимость листа периодически колеблется — явление, известное как колебания Брауна-Зака.

Исследователи не ожидали, что их толстые стопки графена с одним слоем муаровой сверхрешетки наверху проявят такие эффекты. В конце концов, явления, описанные выше, наблюдались только с парой (или небольшим массивом) двумерных листов, наложенных друг на друга. Трехмерный кусок графита представлял собой совершенно новую местность. И у команд были все основания подозревать, что странное квантовое поведение просто не будет наблюдаться в системе. Тем не менее, настраивая свои магнитные поля, исследователи наблюдали колебания проводимости всей стопки — характерные колебания Брауна-Зака для двумерных муаровых материалов.

«Если у вас есть 18 слоев графита и вы поворачиваете только один из этих слоев на 1 градус, вы на самом деле не вносите больших структурных изменений в материал», — говорит Мэтью Янковиц, который возглавлял усилия Вашингтонского университета. «Но вся стопка графита по сути ведет себя как муаровый материал, хотя это трехмерный материал. Так что, я думаю, это новое, прикольное открытие».