„Goldene Regeln“ zur Konstruktion atomarer Massen

Physiker haben eine Technik zur präzisen Ausrichtung ultrawelliger Gitter entwickelt und damit die Möglichkeit wellenförmiger Quantenmaterie der nächsten Generation revolutioniert.

Physiker der National University of Singapore (NUS) haben eine Technik entwickelt, um die Ausrichtung wellenförmiger Übergitter mithilfe einer Reihe goldener Regeln präzise zu steuern und so den Weg für die nächste Generation wellenförmiger Quantenmaterie zu ebnen.

Supermoiré-Klemmen

Moiré-Muster entstehen, wenn zwei identische periodische Strukturen mit einem relativen Torsionswinkel zwischen ihnen oder zwei verschiedene periodische Strukturen, aber mit oder ohne Torsionswinkel zwischen ihnen überlagert werden. Der Torsionswinkel ist der Winkel zwischen den kristallographischen Orientierungen der beiden Strukturen. Zum Beispiel wann Graphen Hexagonales Bornitrid (hBN) ist ein geschichtetes Material, das übereinander geschichtet ist und die Atome in den beiden Strukturen nicht perfekt ausgerichtet sind, wodurch ein Muster aus Interferenzstreifen entsteht, das als Moiré-Muster bezeichnet wird. Dies führt zur elektronischen Rekonstruktion.

Das Moiré-Muster in Graphen und hBN wurde verwendet, um neue Strukturen mit exotischen Eigenschaften wie topologischen Strömungen und Hofstadter-Schmetterlingszuständen zu erzeugen. Wenn zwei Moiré-Muster übereinander gestapelt werden, entsteht eine neue Struktur, ein sogenanntes Moiré-Netz. Im Vergleich zu herkömmlichen Einzelwellmaterialien erweitert dieses superwellige Netzwerk die Palette der einstellbaren Materialeigenschaften und ermöglicht den potenziellen Einsatz in einem viel breiteren Anwendungsspektrum.

Erfolge des Fachbereichs Physik der NUS-Universität

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Ariando vom Fachbereich Physik der National University of Singapore hat eine Technik entwickelt und ist damit erfolgreich darin, die kontrollierte Ausrichtung des hBN/Graphen/hBN-Supermoiré-Netzwerks zu erreichen. Diese Technik ermöglicht die präzise Anordnung zweier Moiré-Muster übereinander. In der Zwischenzeit haben die Forscher auch die „goldene Dreierregel“ formuliert, um den Einsatz ihrer Technik zur Schaffung von Super-Ripple-Netzwerken zu leiten.

Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.

Künstlerische Darstellung des Übergitters mit verdrehten Ecken (θt und θb), das zwischen Graphen und der oberen Schicht aus hexagonalem Bornitrid (T-hBN) und der unteren Schicht aus hexagonalem Bornitrid (B-hBN) gebildet wird. Eine leichte Fehlausrichtung führt zur Bildung eines superwelligen Netzmusters. Bildnachweis: Nature Communications

Herausforderungen und Lösungen

Bei der Schaffung des Ultra-Ripple-Graphen-Netzwerks gibt es drei Hauptherausforderungen. Erstens hängt die herkömmliche optische Ausrichtung stark von den geraden Kanten des Graphens ab, aber die Suche nach einem geeigneten Graphen-Wafer ist zeitaufwändig und arbeitsintensiv; Zweitens besteht selbst bei Verwendung einer Graphenprobe mit geraden Kanten aufgrund der Unsicherheit der Kantenasymmetrie und der Gittersymmetrie eine geringe Wahrscheinlichkeit von 1/8, ein doppelt ausgerichtetes Superripple-Gitter zu erhalten. Drittens sind Kantensymmetrie und Netzsymmetrie zwar bestimmbar, Ausrichtungsfehler sind jedoch oft groß (größer als 0,5°), da es physikalisch schwierig ist, zwei unterschiedliche Netzmaterialien auszurichten.

Dr. Junxiong Hu, Hauptautor der Forschungsarbeit, sagte: „Unsere Technologie hilft, ein reales Problem zu lösen. Mehrere Forscher haben mir gesagt, dass die Probenahme normalerweise etwa eine Woche dauert. Mit unserer Technologie können sie die Herstellungszeit nicht nur erheblich verkürzen, sondern auch erheblich verbessern Genauigkeit der Probe.“

Künstlerische Einblicke

Wissenschaftler nutzen zunächst eine „30-Grad-Rotationstechnik“, um die Ausrichtung der oberen hBN- und Graphenschichten zu steuern. Anschließend verwenden sie eine „Inversionstechnik“, um die Ausrichtung der oberen hBN-Schichten und der unteren hBN-Schichten zu steuern. Basierend auf diesen beiden Methoden können sie die Gittersymmetrie steuern und die Bandstruktur des Graphen-Übergitters abstimmen. Sie zeigten auch, dass eine angrenzende Graphitkante als Orientierung für die Stapelausrichtung dienen kann. In dieser Studie stellten sie 20 Moiré-Proben mit einer Genauigkeit von besser als 0,2 Grad her.

Professor Ariando sagte: „Wir haben drei goldene Regeln für unsere Technologie aufgestellt, die vielen Forschern in der 2D-Material-Community helfen können.“ Es wird erwartet, dass unsere Arbeit auch vielen Wissenschaftlern zugute kommen wird, die an anderen stark miteinander verbundenen Systemen wie um einen magischen Winkel verdrehten Doppelschicht-Graphen oder ABC-gestapelten Mehrschicht-Graphen arbeiten. Ich hoffe, dass diese technische Verbesserung die Entwicklung der nächsten Generation von Wellenquantenmaterie beschleunigen wird.

Zukünftige Unternehmungen

Derzeit nutzt das Forschungsteam diese Technologie, um ein einschichtiges Super-Ripple-Graphen-Netzwerk herzustellen und die einzigartigen Eigenschaften dieses Materialsystems zu erforschen. Darüber hinaus weiten sie die aktuelle Technik auch auf andere physikalische Systeme aus, um weitere neue Quantenphänomene zu entdecken.

Referenz: „Kontrollierte Ausrichtung des Superwellengitters in doppelt ausgerichteten Graphen-Heterostrukturen“ von Junxiong Hu, Junyou Tan, Mohamad M. Al Ezzi, Udvas Chattopadhyay, Jian Gou, Yuntian Zheng, Zihao Wang, Jiayu Chen, Reshmi Thottathil, Jiangbo Luo, Kenji Watanabe , Takashi Taniguchi, Andrew Thi Chien Wei, Shafik Adam und A. Ariando, 12. Juli 2023, Naturkommunikation.
doi: 10.1038/s41467-023-39893-5