Вчені знайшли нову квантову лінійку для дослідження екзотичної матерії

Лист вуглецю товщиною в один атом, відомий як графен, сам по собі має надзвичайні властивості, але все може стати ще цікавішим, коли ви складете кілька листів.

Коли два або більше листів графену, що лежать вище, злегка зміщуються — закручуються під певними кутами відносно один одного — вони набувають безліч екзотичних ідентичностей. Залежно від кута закручування ці матеріали, відомі як квантова матерія муару, можуть раптово генерувати власні магнітні поля, ставати надпровідниками з нульовим електричним опором або, навпаки, перетворюватися на ідеальні ізолятори.

Джозеф А. Строшіо та його колеги з Національного інституту стандартів і технологій (NIST) разом із міжнародною командою співробітників розробили «квантову лінійку» для вимірювання та дослідження дивних властивостей цих скручених матеріалів. Робота також може призвести до створення нового мініатюрного стандарту електричного опору, який міг би калібрувати електронні пристрої безпосередньо на заводі, усуваючи необхідність відправляти їх до лабораторії стандартів за межами підприємства.

Співавтор Фереште Гахарі, фізик з Університету Джорджа Мейсона в Ферфаксі, штат Вірджинія, взяв два шари графену (відомого як двошаровий графен) приблизно 20 мікрометрів у поперечнику та скрутив їх відносно інших двох шарів, щоб створити пристрій квантової матерії муару. Гахарі створив пристрій за допомогою нанофабрикації в Центрі нанорозмірної науки та технологій NIST.

Потім дослідники NIST Марлу Слот і Юлія Максименко охолодили цей скручений матеріальний пристрій до однієї сотої градуса вище абсолютного нуля, зменшуючи випадкові рухи атомів і електронів і підвищуючи здатність електронів у матеріалі взаємодіяти. Після досягнення наднизьких температур вони дослідили, як змінюються рівні енергії електронів у шарах графену, коли вони змінюють силу сильного зовнішнього магнітного поля. Вимірювання та маніпулювання енергетичними рівнями електронів має вирішальне значення для проєктування та виробництва напівпровідникових пристроїв.

Щоб виміряти рівні енергії, команда використовувала універсальний скануючий тунельний мікроскоп, який Строшіо спроектував і створив у NIST. Коли дослідники прикладали напругу до подвійних шарів графену в магнітному полі, мікроскоп зафіксував крихітний струм від електронів, які «тунелювали» з матеріалу до кінчика зонда мікроскопа.

У магнітному полі електрони рухаються коловими шляхами. Як правило, кругові орбіти електронів у твердих матеріалах мають особливий зв’язок із прикладеним магнітним полем: площа, охоплена кожною круговою орбітою, помножена на прикладене поле, може набувати лише набору фіксованих дискретних значень через квантову природу електронів.

Щоб зберегти цей фіксований продукт, якщо магнітне поле зменшується вдвічі, то площа, оточена орбітальним електроном, повинна подвоїтися. Різницю в енергії між послідовними рівнями енергії, що відповідають цій моделі, можна використовувати як галочки на лінійці для вимірювання електронних і магнітних властивостей матеріалу. Будь-яке незначне відхилення від цієї моделі означатиме нову квантову лінійку, яка може відображати орбітальні магнітні властивості конкретного квантового муарового матеріалу, який вивчають дослідники.

Насправді коли дослідники NIST змінювали магнітне поле, прикладене до подвійного шару муару графену, вони виявили докази нової квантової лінійки. Площа, обмежена круговою орбітою електронів, помножена на прикладене магнітне поле, більше не дорівнювала фіксованому значенню. Натомість добуток цих двох чисел змістився на величину, що залежить від намагніченості подвійних шарів.

Це відхилення перетворюється на набір різних позначок для рівнів енергії електронів. Отримані дані обіцяють пролити нове світло на те, як електрони, обмежені скрученими листами графену, викликають нові магнітні властивості.

«Використовуючи нову квантову лінійку для вивчення того, як кругові орбіти змінюються залежно від магнітного поля, ми сподіваємося виявити тонкі магнітні властивості цих муарових квантових матеріалів», — сказав Стросіо.

У муарових квантових матеріалах електрони мають діапазон можливих енергій — високих і низьких, у формі коробки для яєць — які визначаються електричним полем матеріалів. Електрони зосереджені в нижчих енергетичних станах або долинах коробки. Велика відстань між долинами в подвійних шарах, більша, ніж атомна відстань у будь-якому окремому шарі графену або кількох нескручених шарах, пояснює деякі незвичайні магнітні властивості, виявлені командою, сказав фізик-теоретик NIST Пол Хейні.

Дослідники, включно з колегами з Університету Меріленда в Коледж-Парку та Об’єднаного квантового інституту, дослідницького партнерства між NIST та Університетом Меріленда, описують свою роботу в журналі Science .

Оскільки властивості муарової квантової матерії можна вибрати шляхом вибору певного кута закручування та кількості атомарно тонких шарів, нові вимірювання обіцяють забезпечити глибше розуміння того, як вчені можуть адаптувати та оптимізувати магнітні та електронні властивості квантових матеріалів для хоста. застосування в мікроелектроніці та суміжних областях. Наприклад, вже відомо, що надтонкі надпровідники є надзвичайно чутливими детекторами одиночних фотонів, а квантові муарові надпровідники належать до найтонших.

Команда NIST також зацікавлена ​​в іншому застосуванні: за правильних умов квантова матерія муару може забезпечити новий, простий у використанні стандарт електричного опору.

Нинішній стандарт базується на дискретних значеннях опору, яких набуває матеріал, коли до електронів у двовимірному шарі прикладається сильне магнітне поле. Це явище, відоме як квантовий ефект Холла, походить від тих самих квантованих рівнів енергії електронів на кругових орбітах, про які йшлося вище. Дискретні значення опору можна використовувати для калібрування опору в різних електричних пристроях. Але оскільки потрібне потужне магнітне поле, калібрування можна проводити лише в таких метрологічних установах, як NIST.

Якби дослідники могли маніпулювати квантовою речовиною муару так, щоб вона мала чисту намагніченість навіть за відсутності зовнішнього прикладеного магнітного поля, сказав Строшіо, тоді це потенційно можна було б використати для створення нової портативної версії найточнішого стандарту опору, відомого як аномальний квантовий стандарт опору Холла. Калібрування електронних пристроїв можна проводити на виробничому майданчику, потенційно заощаджуючи мільйони доларів.