Изображение тщательно разработанной подложки, которая вызывает рябь осажденного листа графена. Это искажение генерирует токи, которые находятся только на одной стороне структуры наноленты. Предоставлено: Вы Тиен Фонг

С тех пор как графен был впервые выделен и охарактеризован в начале 2000-х годов, исследователи изучают способы использования этого атомарно тонкого наноматериала из-за его уникальных свойств, таких как высокая прочность на разрыв и проводимость.

В последние годы было показано, что скрученный двухслойный графен, состоящий из двух листов графена, скрученных под определенным «магическим» углом, обладает сверхпроводимостью, что означает, что он может проводить электричество с очень небольшим сопротивлением. Однако использование этого подхода для создания устройств остается сложной задачей из-за низкой производительности изготовления скрученного двухслойного графена.

Теперь новое исследование показывает, как систематические периодические деформации одного слоя графена превращают его в материал с электронными свойствами, ранее наблюдаемыми в скрученных двухслойных слоях графена. Эта система также содержит дополнительные неожиданные и интересные проводящие состояния на границе. Благодаря лучшему пониманию того, как возникают уникальные свойства, когда отдельные листы графена подвергаются периодическому напряжению, эта работа может создать в будущем квантовые устройства, такие как орбитальные магниты и сверхпроводники. Исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, было проведено аспирантом Вы Тиен Фонгом и профессором Юджином Меле на кафедре физики и астрономии Пенна в Школе искусств и наук.

Одной из альтернатив методу сложного скрученного двухслойного слоя является использование одиночных слоев графена, которые помещаются на тщательно структурированную подложку, известную как «ложе из гвоздей», которая периодически прикладывает внешнюю силу или деформацию. Чтобы лучше понять квантово-геометрические свойства этой системы, Меле и Фонг решили понять теорию, лежащую в основе движения электронов в этой однослойной системе.

Проведя компьютерное моделирование однослойных экспериментов, исследователи были удивлены, обнаружив новые свидетельства неожиданных явлений на поверхности материала, но только на одной стороне. «Как правило, топология в массе связана со свойствами поверхности, и в этом случае все поверхности наследуют это свойство», — говорит Меле. «Здесь тот факт, что с одной стороны были граничные моды, а с другой нет, показался мне очень необычным».

Это открытие было неожиданным, потому что в этой системе среднее псевдомагнитное поле, создаваемое при напряжении системы, было равно нулю — положительное в одной области и отрицательное в другой, что, как предполагали исследователи, нейтрализует любые уникальные явления. «Если магнитное поле равно нулю, вы, вероятно, не получите никакой интересной физики», — говорит Фонг. «Наоборот, мы обнаружили, что хотя среднее магнитное поле равно нулю, оно все же дает вам некоторые интересные физические данные на краю».

Чтобы объяснить этот неожиданный результат, Фонг более внимательно изучил аналогичную экспериментальную систему, в которой отдельные листы графена изгибаются, чтобы имитировать постоянное, а не периодическое поле, вызванное деформацией. Фонг обнаружил, что эта система имеет такой же топологический индекс, а это означает, что краевые состояния, которые процветают только на определенной стороне материала, также могут возникать. «Физика здесь была похожей и казалась правильным объяснением феноменологии, над которой мы работали», — говорит Фонг.

В целом, это исследование предсказывает, что плоские полосы, подобные тем, которые обнаружены в скрученном двухслойном графене, создаются путем осаждения атомарно тонкого одиночного слоя на подложку из гвоздей, которая вызывает периодическое искажение графенового листа.

Исследователи уже продвигаются к еще более глубокому пониманию этих однослойных систем. Одним из направлений дальнейших исследований является сотрудничество с доцентом Бо Женем для изучения того же явления с использованием световых волн. Исследователи также заинтересованы в том, чтобы увидеть, могут ли другие уникальные свойства, существующие в скрученном двухслойном графене , проявляться в однослойных системах.

«Хотя физика проста, а это означает, что вы можете заставить систему вести себя так, как вы хотите, более контролируемым образом, феноменология, которую вы можете из нее извлечь, не такова. Она очень богата, и мы все еще открываем новые вещи. пока мы говорим», — говорит Фонг.

И поскольку с этими однослойными системами проще работать, это расширенное теоретическое понимание может помочь в будущих открытиях в области физики граничных состояний, включая возможные новые устройства, такие как сверхмалые, невероятно быстрые квантовые материалы.

«Сейчас прилагаются огромные усилия, чтобы понять эти скрученные бислои графена , и я думаю, что интересный вопрос, который мы здесь задаем, — это основные компоненты физической системы, которая действительно может это сделать», — говорит Меле. «Мы строим искусственные структуры , которые вы не можете построить сверху вниз в интересном масштабе длины — больше, чем атомы, меньше, чем вы можете сделать с помощью литографии, — и, если у вас есть контроль над этим, есть много вещей, которые вы можете сделать."