Direct observation of flat bands in near-magic-angle twisted bilayer CVD graphene
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि केमिकल वेपर डिपोजिशन (CVD) के माध्यम से उगाए गए और 'ग्रो-एंड-स्टैक' प्रोटोकॉल का उपयोग करके असेंबल किए गए उच्च-गुणवत्ता वाले ट्विस्टेड बाइलेयर ग्राफीन, एक्सफोलिएटेड नमूनों के समान फ्लैट इलेक्ट्रॉनिक बैंड प्रदर्शित करते हैं, जो मैजिक-एंगल सहसंबद्ध अवस्थाओं (correlated states) को साकार करने के लिए CVD की व्यवहार्यता की पुष्टि करते हैं।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ बिजली के नियम केवल दो सामग्रियों की शीटों को एक-दूसरे के विरुद्ध घुमाने मात्र से बदल जाते हैं। यह द्वि-आयामी (two-dimensional) सामग्रियों के अनुसंधान का अग्रिम क्षेत्र है, विशेष रूप से ग्राफीन नामक एक पदार्थ, जो कार्बन परमाणुओं की एक एकल परत है जो हनीकॉम्ब (मधुमक्खी के छत्ते) पैटर्न में व्यवस्थित है। जब वैज्ञानिक इन दो शीटों को एक के ऊपर एक रखते हैं और उन्हें एक बहुत ही विशिष्ट, सूक्ष्म कोण पर घुमाते हैं, तो उनके ओवरलैपिंग पैटर्न एक नया, बड़ा ग्रिड बनाते हैं जिसे मोइरे सुपरलैटिस (moiré superlattice) कहा जाता है। एक सटीक "जादुय" (magic) कोण पर, यह संरचना कुछ असाधारण उत्पन्न करती है: फ्लैट बैंड्स (flat bands)। भौतिकी की भाषा में, ये वे ऊर्जा स्तर हैं जहाँ इलेक्ट्रॉन स्वतंत्र रूप से घूमना बंद कर देते हैं और इसके बजाय एक साथ जमा होने लगते हैं, जिससे एक ऐसी स्थिति बनती है जहाँ वे एक-दूसरे के साथ मजबूती से अंतःक्रिया करते हैं। यह भीड़भाड़ ही असाधारण व्यवहारों, जैसे कि अतिचालकता (superconductivity), को अनलॉक करने की कुंजी है, जहाँ बिजली बिना किसी प्रतिरोध के बहती है। अब तक, वैज्ञानिक केवल ग्राफाइट के एक ब्लॉक से छीली गई ग्राफीन की छोटी, हाथ से चुनी गई फ्लेक्स (flakes) का उपयोग करके इन नाजुक अवस्थाओं का अध्ययन कर पाए थे। हालाँकि यह विधि काम करती है, लेकिन यह धीमी, कठिन और दोहराने में मुश्किल है, और इसे वास्तविक दुनिया के उपकरणों के लिए बड़े पैमाने पर बनाना असंभव है। बड़ा सवाल यह रहा है कि क्या इस नाजुक भौतिकी को एक फैक्ट्री जैसी सेटिंग में उगाई गई ग्राफीन का उपयोग करके पुन: निर्मित किया जा सकता है, जिसे केमिकल वेपर डिपोजिशन (chemical vapor deposition) नामक एक विधि के रूप में जाना जाता है, जो बड़े, उच्च-गुणवत्ता वाले शीट तो बनाती है लेकिन पहले कभी यह सिद्ध नहीं हुआ कि यह इन जटिल ट्विस्टेड अवस्थाओं का समर्थन कर सकती है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब उस प्रश्न का निश्चित रूप से 'हाँ' के साथ उत्तर दिया है। कॉपर (तांबे) पर ग्राफीन के बड़े क्रिस्टल उगाकर और फिर उन्हें सावधानीपूर्वक एक के ऊपर एक रखकर, उन्होंने एक ट्विस्टेड बाइलेयर सैंपल बनाया जिसने सफलतापूर्वक इन फ्लैट बैंड्स को होस्ट किया। एक प्रमुख अनुसंधान सुविधा में काम कर रही इस टीम ने इलेक्ट्रॉनों के भीतर सीधे देखने के लिए नैनो-एंगल्ड-रिज़ॉल्व्ड फोटोएमिशन स्पेक्ट्रोस्कोपी (nano-angle-resolved photoemission spectroscopy) नामक एक शक्तिशाली इमेजिंग तकनीक का उपयोग किया। इस पद्धति ने उन्हें अत्यधिक सटीकता के साथ इलेक्ट्रॉनों के ऊर्जा और संचलन को मैप करने की अनुमति दी, जो प्रभावी रूप से इलेक्ट्रॉनिक परिदृश्य की एक तस्वीर लेने जैसा था। उन्होंने फ्लैट बैंड्स का एक स्पष्ट संकेत पाया, जो पिछले महत्वपूर्ण सफलताओं में उपयोग किए गए बहुत छोटे, हाथ से छीले गए नमूनों में देखे गए संकेतों के लगभग समान था। उनके नए, उगाए गए नमूने में इलेक्ट्रॉन ठीक वैसे ही व्यवहार कर रहे थे जैसा कि सिद्धांत ने मैजिक-एंगल सिस्टम में भविष्यवाणी की थी, जिससे पुष्टि हुई कि नाजुक इलेक्ट्रॉनिक संरचना वास्तव में औद्योगिक विकास और असेंबली की प्रक्रिया में जीवित रह सकती है।
शोधकर्ता केवल बैंड्स खोजने तक ही नहीं रुके; उन्होंने यह भी मैप किया कि ये विशेष क्षेत्र कितने बड़े और सुसंगत हैं। अपने इमेजिंग टूल की उच्च-रिज़ॉल्यूशन क्षमताओं का उपयोग करते हुए, उन्होंने नमूने के चारों ओर स्कैन किया यह देखने के लिए कि मैजिक-एंगल व्यवहार कहाँ मौजूद था और कहाँ फीका पड़ गया। उन्होंने पाया कि विशेष ट्विस्टेड विन्यास केवल एक छोटा सा बिंदु नहीं था बल्कि एक पर्याप्त क्षेत्र को कवर करता था, जो भविष्य के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के निर्माण के लिए उपयोगी होने के लिए पर्याप्त बड़ा था। हालाँकि, उन्होंने यह भी देखा कि यह नाजुक अवस्था खामियों के प्रति संवेदनशील है। जब परतों ने अंतर्निहित सामग्री में एक झुर्री या दोष का सामना किया, तो पूर्ण ट्विस्ट ढीला हो गया, और परतें एक साधारण, स्टैक्ड व्यवस्था में व्यवस्थित हो गईं। यह खोज महत्वपूर्ण है क्योंकि यह वैज्ञानिकों को बताती है कि एक आदर्श "मैजिक" डोमेन वास्तव में कितना बड़ा हो सकता है और उन विशिष्ट चुनौतियों को उजागर करती है जिन्हें इन सामग्रियों को बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए विश्वसनीय बनाने के लिए दूर करने की आवश्यकता है।
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि स्केलेबल क्वांटम सामग्रियों का मार्ग खुला है। टीम ने दिखाया कि कॉपर पर उगाई गई और फिर स्टैक की गई ग्राफीन उन्हीं जटिल इलेक्ट्रॉनिक अवस्थाओं को होस्ट कर सकती है जो पहले दुर्लभ, हाथ से बने फ्लेक्स का अनन्य क्षेत्र थीं। उन्होंने सबसे बड़े पूर्ण क्षेत्र के आकार को लगभग 84 वर्ग माइक्रोमीटर मापा, जो इलेक्ट्रिकल ट्रांसपोर्ट से जुड़े भविष्य के प्रयोगों के लिए एक आशाजनक पैमाना है। हालाँकि यह कार्य अभी तक उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए तैयार कोई अंतिम उत्पाद नहीं है, लेकिन यह सिद्ध करता है कि इन उन्नत अवस्थाओं के लिए आवश्यक मौलिक भौतिकी बड़े पैमाने पर विनिर्माण के अनुकूल है। शोधकर्ताओं ने प्रभावी रूप से प्रयोगशाला के नाजुक प्रयोगों और मजबूत, इंजीनियर की गई सामग्रियों की क्षमता के बीच के अंतर को पाट दिया है, जिससे उन नए पीढ़ी के उपकरणों के लिए मार्ग प्रशस्त हुआ है जो इन अजीब और शक्तिशाली क्वांटम प्रभावों का लाभ उठा सकते हैं।
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