Il y a quelques années, les physiciens ont été surpris d'apprendre que l'empilement et la tordre subtilement deux couches atomiquement minces d'un matériau électronique comme le graphène crée un motif qui modifie les propriétés du matériau et peut même le transformer en supraconducteur. Cette grille superposée, comme ce qui émergerait si deux écrans de fenêtre étaient légèrement allongés, s'appelle un motif Moiré.
Mais pourquoi s'arrêter là? Il s'avère que l'ajout d'une troisième couche, avec chaque couche tordue à des angles légèrement différents, produit des interférences encore plus complexes appelées motifs Supermoirré (aka Moiré de Moiré). Le modèle Supermoirré induit des changements profonds dans la façon dont les électrons se déplacent dans le matériau, mais jusqu'à récemment, les scientifiques avaient eu du mal à mesurer exactement quels changements se produisent et pourquoi.
Maintenant, les physiciens appliqués de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (Seas) ont utilisé un microscope spécialement conçu pour sonder les propriétés des modèles Supermoirré dans le graphène tricouche dans une mesure qui n'a jamais été possible auparavant. En utilisant leur microscope, ils ont vu de nombreux nouveaux états de matière dans lesquels les électrons seraient coincés ou formeraient des groupes inhabituels, conduisant à des changements dans tout le comportement électronique du système et en ouvrant les portes à l'étude des matériaux en couches avec des propriétés précisément contrôlables.
Publié dans Sciencela recherche a été co-dirigée par l'ancien prix postdoctoral de la Harvard Quantum Initiative, Yonglong Xie, et l'ancien étudiant diplômé des Seas, Andrew Pierce, qui a travaillé dans le laboratoire d'Amir Yacoby, le professeur de physique de Mallinckrodt et de physique appliquée.
Les modèles de supermoirré ultra-longs visibles dans des matériaux de tricouche torsadés avaient été considérés par certains comme des imperfections de peu de conséquences au milieu des structures Moiré plus simples qui émergent lorsque seulement deux couches sont présentes. Le nouveau papier de Harvard remet en question qui hypothèse et introduit le concept d'ingénierie Supermoirré – comment que des motifs supplémentaires pourraient être utilisés comme une sonde pour découvrir les propriétés globales de ces matériaux spéciaux. Le modèle Supermoirré est relativement grand et peut être facilement contrôlé, introduisant un potentiel pour la conception de nouveaux matériaux exotiques pour l'électronique mince et d'autres applications.
« En entrant dans cette étude, si vous me demandiez si je pensais que le supermoirré était bon pour quelque chose, j'aurais probablement dit que ce serait juste une nuisance », a déclaré Pierce, maintenant chercheur postdoctoral à Cornell. « Mais cela nous a donné de nouvelles informations sur le système – des informations qui auraient été difficiles à obtenir avec d'autres techniques en plus de la nôtre. »
La compréhension des modèles de supermoirré avait été limitée par le fait que les modèles peuvent varier considérablement entre différentes régions d'un échantillon. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont utilisé leur microscope à transistor unique, développé dans le laboratoire de Yacoby à la mer, qui est capable d'examiner les matériaux avec une résolution spatiale d'environ 100 nanomètres et est sensible aux perturbations dans les électrons individuels. Une aiguille pointue avec un capteur à sa pointe scanne l'échantillon et capture ces détails.
Le microscope a permis à l'équipe de détecter de très légères changements dans les modèles Moiré et Supermoirré dans le graphène à deux et trois couches, et les propriétés électroniques résultantes par pixel. En analysant les corrélations entre ces quantités, ils ont glané de nouvelles perspectives sur la façon dont les modèles Supermoirré en particulier influencent l'ensemble du système.
« Ce modèle à long terme supplémentaire qui était jusqu'à présent largement négligé pourrait être utilisé comme une sonde pour comprendre les propriétés matérielles du matériel parent », a déclaré Xie, maintenant professeur adjoint à l'Université Rice.
Les résultats pourraient améliorer la compréhension des phénomènes quantiques, y compris la conduction sans perte d'électrons connus sous le nom de supraconductivité, et conduire à des matériaux de nouvelle génération qui contiennent plusieurs propriétés réglables.
