O trabalho apresenta uma nova plataforma para estudar materiais quânticos.
Os físicos do MIT criaram um novo materials ultrafino e bidimensional com propriedades magnéticas incomuns que inicialmente surpreenderam os pesquisadores antes de resolver o complicado quebra-cabeça por trás da emergência dessas propriedades. Como resultado, o trabalho apresenta uma nova plataforma para estudar como os materiais se comportam no nível mais basic – o mundo da física quântica.
Os materiais ultrafinos feitos de uma única camada de átomos rebitavam a atenção dos cientistas desde a descoberta do primeiro materials desse tipo – grafeno, composto por carbono – cerca de 20 anos atrás. Entre outros avanços desde então, os pesquisadores descobriram que empilhar folhas individuais dos materiais 2D e, às vezes, torcendo -os em um leve ângulo um para o outro, podem dar a eles novas propriedades, da supercondutividade ao magnetismo. Entre no campo da Twistronics, que foi pioneiro no MIT por Pablo Jarillo-HerreroCecil e Ida Inexperienced Professor de Física no MIT.
Na pesquisa atual, relatada no 7 de janeiro. Edição de Nature Physicsos cientistas, liderados por Jarillo-Herrero, trabalharam com três camadas de grafeno. Cada camada foi torcida no topo da próxima no mesmo ângulo, criando uma estrutura helicoidal semelhante à hélice do DNA ou uma mão de três cartas que são afastadas.
“Helicity é um conceito basic na ciência, da física básica à química e biologia molecular. Com materiais 2D, pode -se criar estruturas helicoidais especiais, com novas propriedades que estamos apenas começando a entender. Este trabalho representa uma nova reviravolta no campo da Twistronics, e a comunidade está muito animada para ver o que mais podemos descobrir usando esta plataforma de materiais helicoidais! ” diz Jarillo-Herrero, que também é afiliado ao MIT Laboratório de Pesquisa de Materiais.
Faça a torção
A Twistronics pode levar a novas propriedades em materiais ultrafinos, porque a organização de folhas de materiais 2D dessa maneira resulta em um padrão exclusivo chamado Lattice Moiré. E um padrão moiré, por sua vez, tem um impacto no comportamento dos elétrons.
“Ele altera o espectro dos níveis de energia disponível para os elétrons e pode fornecer as condições para os fenômenos interessantes surgirem”, diz Sergio C. de la Barrera, um dos três autores co-primeiro do artigo recente. De La Barrera, que conduziu o trabalho enquanto pós -doutorado no MIT, agora é professor assistente da Universidade de Toronto.
No trabalho atual, a estrutura helicoidal criada pelas três camadas de grafeno forma duas treliças Moiré. Um é criado pelas duas primeiras folhas sobrepostas; O outro é formado entre a segunda e a terceira folhas.
Os dois padrões moiré juntos formam um terceiro moiré, um supermoiré, ou “moiré de um moiré”, diz Li-Qiao Xiaum estudante de graduação em MIT física e outro dos três autores co-primeiro do Nature Physics papel. “É como uma hierarquia de Moiré.” Enquanto os dois primeiros padrões de Moiré são apenas nanômetros, ou bilionésimos de um metro, em escala, o supermoiré aparece em uma escala de centenas de nanômetros sobrepostos nos outros dois. Você só pode vê -lo se você zoom para obter uma visão muito mais ampla do sistema.
Uma grande surpresa
Os físicos esperavam observar assinaturas dessa hierarquia de Moiré. Eles tiveram uma grande surpresa, no entanto, quando aplicaram e variaram um campo magnético. O sistema respondeu com uma assinatura experimental para magnetismo, que surge do movimento dos elétrons. De fato, esse magnetismo orbital persistiu a -263 graus Celsius -a temperatura mais alta relatada em materiais à base de carbono até o momento.
Mas esse magnetismo só pode ocorrer em um sistema que não possui uma simetria específica – uma que o novo materials da equipe deveria ter. “Então, o fato de termos visto isso foi muito intrigante. Nós realmente não entendemos o que estava acontecendo ”, diz Aviram Urium Pappalardo do MIT PostDoc em física e o terceiro co-primeiro autor do novo artigo.
Outros autores do artigo incluem o professor de física do MIT Liang Fu; Aaron Sharpe, da Sandia Nationwide Laboratories; Yves H. Kwan, da Universidade de Princeton; Ziyan Zhu, David Goldhaber-Gordon e Trithep Devakul, da Universidade de Stanford; e Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi do Instituto Nacional de Ciência dos Materiais no Japão.
O que estava acontecendo?
Acontece que o novo sistema realmente quebrou a simetria que proíbe o magnetismo orbital que a equipe observou, mas de uma maneira muito incomum. “O que acontece é que os átomos nesse sistema não são muito confortáveis, então eles se movem de uma maneira sutil orquestrada que chamamos de relaxamento de treliça”, diz Xia. E a nova estrutura formada por esse relaxamento realmente quebra a simetria localmente, na escala de comprimento de Moiré.
Isso abre a possibilidade do magnetismo orbital que a equipe observou. No entanto, se você zoom para visualizar o sistema na escala de supermoiré, a simetria será restaurada. “A hierarquia de Moiré aparece para apoiar fenômenos interessantes em diferentes escalas de comprimento”, diz De La Barrera.
Conclui Uri: “É muito divertido quando você resolve um enigma e é uma solução tão elegante. Ganhamos novas idéias sobre como os elétrons se comportam nesses sistemas complexos, insights que não poderíamos ter, a menos que nossas observações experimentais forçam a pensar sobre essas coisas. ”
Este trabalho foi apoiado pelo Escritório de Pesquisa do Exército, pela Fundação Nacional de Ciências, da Fundação Gordon e Betty Moore, da Fundação Acquainted Ross M. Brown, um MIT Pappalardo FellowshipA Irmandade de Pós -Dou doutorado Vatat em Ciência e Tecnologia Quântica, os JSPs Kakenhi e uma Stanford Science Fellowship.
