Electrically tunable moiré hybridization in scalable twist-with-a-spacer structures

Stel je een wereld voor die is opgebouwd uit vellen materie die zo dun zijn dat ze slechts één atoom dik zijn. In deze wereld kunnen wetenschappers deze vellen op elkaar stapelen als de pagina's van een boek, maar met een cruciale draai: ze kunnen elke pagina ten opzichte van de laag eronder een klein beetje draaien. Wanneer twee van dergelijke vellen direct op elkaar worden geplaatst onder een specifieke, minuscule hoek, overlappen hun atomaire patronen om een nieuw, groter patroon te creëren dat een moiré-superrooster wordt genoemd. Dit patroon fungeert als een nieuwe set regels voor de elektronen die zich door het materiaal bewegen, waardoor ze in unieke energietoestanden worden gedwongen die elektriciteit op vreemde manieren kunnen geleiden of zelfs supergeleiders kunnen worden. Jarenlang geloofden onderzoekers dat om deze speciale elektronische toestanden te creëren, de vellen direct contact met elkaar moesten hebben, zodat elektronen vrij tussen de lagen konden springen. Als er een laag materiaal tussen zou worden geplaatst, werd gedacht dat dit als een barrière zou fungeren, die de verbinding zou verbreken en de delicate fysica die het gedraaide pakket zo interessant maakte, zou vernietigen.

Een team van onderzoekers heeft nu deze langgekoesterde aanname uitgedaagd door een structuur te bouwen waarbij de gedraaide lagen worden gescheiden door een enkele, atoomdunne laag grafiet. In plaats van de verbinding te verbreken, ontdekten zij dat deze tussenlaag het systeem juist stabiliseert, waardoor de unieke elektronische patronen zelfs betrouwbaarder kunnen ontstaan dan voorheen. Door een derde, niet-uitgelijnde laag tussen twee bijna uitgelijnde lagen te plaatsen, creëerden zij een "twist-met-een-spacer"-architectuur. Deze opstelling vermindert de sterkte van de interactie tussen de bovenste en onderste lagen net genoeg, zodat wetenschappers de elektronische eigenschappen kunnen afstemmen met behulp van een elektrisch veld, zonder het onderliggende patroon te veranderen. Buitengewoon genoeg toonden zij aan dat deze structuur niet alleen werkt wanneer deze met de hand is gebouwd met kleine vlokken grafiet, maar ook wanneer deze direct op een oppervlak wordt gegroeid met behulp van een schaalbaar industrieel proces. Deze ontdekking suggereert een nieuwe weg voor het creëren van geavanceerde elektronische materialen die zowel zeer uniform als gemakkelijker in grote hoeveelheden te produceren zijn.

De reis begon met een eenvoudige vraag: wat gebeurt er als we twee gedraaide grafenlagen scheiden met een enkele grafenlaag ertussen? In standaard gedraaide bi-grafen zijn de twee vellen direct contact, en is hun interactie zo sterk dat de atomaire roosters van nature ontspannen en zichzelf herordenen om energie te minimaliseren. Deze ontspanning creëert een zeer specifieke, rigide structuur, maar het maakt het systeem ook moeilijk te controleren en gevoelig voor imperfecties. De onderzoekers hypotheseerden dat het invoegen van een tussenlaag de atomaire herordening zou voorkomen, terwijl er nog steeds genoeg interactie zou zijn om de moiré-effecten te laten voortbestaan. Om dit te testen, bouwden zij apparaten met behulp van twee verschillende methoden. Eerst stapelden zij handmatig geëxfolieerde grafenlagen, waarbij de bovenste en onderste vellen een kleine hoek van ongeveer 0,18 graden draaiden, terwijl de middelste laag met een grote hoek van 30 graden ten opzichte van hen werd gedraaid. Deze grote hoek in het midden zorgde ervoor dat de middelste laag effectief ontkoppeld werd van de buitenste lagen, waardoor de bovenste en onderste vellen toch met elkaar konden interageren via de dunne barrière.

Ze vergeleken deze handmatig samengestelde apparaten vervolgens met structuren die gegroeid waren met chemische dampdepositie (CVD), een techniek die wordt gebruikt om materialen op grote schaal te laten groeien. Bij deze methode groeien grafenlagen concentrisch op een koperen oppervlak. Vanwege de manier waarop de atomen zich tijdens de groei uitlijnen met het koperen oppervlak, vormen de lagen van nature met ofwel perfecte uitlijning of een draai van 30 graden. Door drie lagen te laten groeien, creëerden de onderzoekers een stapel waarbij de bovenste en onderste lagen bijna uitgelijnd waren, gescheiden door een middelste laag die met 30 graden gedraaid was. Deze spontane groei produceerde exact de "twist-met-een-spacer"-geometrie die zij nodig hadden, maar op een schaal die zonder menselijke tussenkomst gereproduceerd kon worden. Het team mat vervolgens hoe elektriciteit door deze apparaten stroomde onder verschillende omstandigheden, waarbij zij magnetische velden en elektrische velden toepasten om te zien hoe de elektronen zich gedroegen.

De resultaten waren opmerkelijk. Zelfs met de tussenlaag ertussen vertoonden de apparaten duidelijke tekenen van de moiré-superrooster-effecten die normaal gesproken alleen worden gezien bij direct contact tussen lagen. De onderzoekers observeerden duidelijke patronen in de elektrische weerstand, bekend als Brown-Zak-oscillaties, die een vingerafdruk zijn van de moiré-bandstructuur. Deze oscillaties verschenen bij specifieke hoeken en magnetische velden, wat bevestigde dat de elektronen zich bewogen door een periodiek potentiaal gegenereerd door de draaiing, ondanks de fysieke scheiding. Bovendien voorkwam de tussenlaag de atomaire ontspanning die deze systemen gewoonlijk bemoeilijkt. In de handgestapelde apparaten bleef de draaihoek ongelooflijk uniform over het hele monster, met een variatie van minder dan 0,02 graden over een afstand van 10 micrometer. Dit niveau van uniformiteit is moeilijk te bereiken in direct contact staande gedraaide lagen, waar de atomen vaak verschuiven en vervormen om een lagere energietoestand te vinden. De tussenlaag fungeerde als een rigide buffer die de bovenste en onderste lagen in hun beoogde posities hield.

Een belangrijke bevinding van het onderzoek was de mogelijkheid om de interactie tussen de lagen af te stemmen. In traditioneel gedraaid grafiet is de sterkte van de verbinding vastgelegd door de afstand tussen de atomen, die wordt bepaald door het materiaal zelf. In deze nieuwe architectuur konden de onderzoekers een extern elektrisch veld gebruiken om de sterkte van de verbinding tussen de bovenste en onderste lagen aan te passen. Door een verplaatsingsveld toe te passen, konden zij de hybridisatie tot een precies niveau verlagen, of zelfs aanzienlijk onderdrukken, zonder de draaihoek te veranderen. Dit maakte het mogelijk om de effecten van de draaihoek te scheiden van de sterkte van de koppeling, een prestatie die voorheen onmogelijk was. Zij ontdekten dat hoewel de koppeling zwakker was dan bij direct contact, deze nog steeds sterk genoeg was om de elektronische bandstructuur te reconstrueren en de gewenste moiré-minibanden te creëren.

Het team verifieerde ook dat deze effecten geen toevalstreffer waren in de handmatig samengestelde monsters. De apparaten die gegroeid waren met de methode van chemische dampdepositie vertoonden hetzelfde robuuste elektronische gedrag. De Brown-Zak-oscillaties waren net zo duidelijk en de draaihoeken waren even uniform. Dit bewees dat het "twist-met-een-spacer"-concept gerealiseerd kon worden via schaalbare productie, wat de weg vrijmaakt voor de productie van deze materialen in grotere hoeveelheden. De onderzoekers merkten op dat de draaihoeken in hun gegroeide monsters iets groter waren dan de theoretische "magische hoek" voor dit specifieke systeem, maar zij suggereerden dat met verdere optimalisatie van de groei- en transferprocessen, zij zelfs kleinere hoeken zouden kunnen bereiken. Dit zou een belangrijke stap zijn naar het creëren van schaalbare materialen met gecorreleerde elektronentoestanden, die de basis vormen voor veel exotische kwantumverschijnselen.

Misschien wel het meest verrassende aspect van het werk was de stabiliteit van deze structuren bij hogere temperaturen. De moiré-effecten, die vaak fragiel zijn en verdwijnen als de temperatuur stijgt, kunnen in deze door een spacer gescheiden apparaten zelfs tot kamertemperatuur aanhouden. Deze veerkracht is waarschijnlijk te danken aan de onderdrukking van atomaire ontspanning en de rigide aard van het superrooster dat door de spacer wordt gecreëerd. Het vermogen om deze kwantumeffecten bij kamertemperatuur te behouden is een cruciale stap naar praktische toepassingen, aangezien de meeste elektronische apparaten in dit thermische regime werken. De onderzoekers concludeerden dat hun werk een nieuw ontwerpprincipe biedt voor moiré-materialen, waarbij de periodiciteit van het rooster en de sterkte van de elektronische koppeling onafhankelijk van elkaar gecontroleerd kunnen worden. Deze ontkoppeling biedt een veelzijdig platform voor het ontwerpen van elektronische toestanden die voorheen ontoegankelijk waren, wat potentieel leidt tot een nieuwe generatie afstembare kwantumapparaten die gegroeid kunnen worden in plaats van moeizaam met de hand geassembleerd.