“Aturan Emas” untuk menyusun massa atom

Model jam menunjukkan penyelarasan rotasi antara jarum jam (hBN atas), jarum menit (grafena tengah), dan jarum detik (hBN bawah). Kombinasi hBN atas, graphene tengah, dan hBn bawah menghasilkan struktur superlattice moiré di tengah jam tangan. Kredit: Universitas Nasional Singapura

Fisikawan telah mengembangkan teknik untuk menyelaraskan kisi-kisi super bergelombang secara tepat, merevolusi kemungkinan generasi berikutnya dari materi kuantum bergelombang.

Fisikawan di National University of Singapore (NUS) telah mengembangkan teknik yang secara tepat mengendalikan keselarasan kisi-kisi super-goyah menggunakan seperangkat aturan emas, yang membuka jalan bagi kemajuan materi kuantum bergelombang generasi berikutnya.

Kisi supermoire

Pola moiré terbentuk ketika dua struktur periodik identik ditumpangkan dengan sudut puntir relatif di antara keduanya atau dua struktur periodik berbeda tetapi ditumpangkan dengan atau tanpa sudut puntir. Sudut torsi adalah sudut antara orientasi kristal kedua struktur. Misalnya kapan graphene Boron nitrida heksagonal (hBN) adalah bahan dengan lapisan yang saling bertumpukan, dan atom dalam kedua struktur tersebut tidak tersusun sempurna, sehingga menciptakan pola pinggiran interferensi, yang disebut pola moiré. Hal ini mengarah pada rekonstruksi elektronik.

Pola moiré dalam graphene dan hBN telah digunakan untuk membuat struktur baru dengan sifat eksotik, seperti arus topologi dan keadaan kupu-kupu Hofstadter. Ketika dua pola moiré ditumpuk, struktur baru yang disebut jaringan moire tercipta. Dibandingkan dengan material gelombang tunggal tradisional, jaringan gelombang ultra ini memperluas jangkauan sifat material yang dapat disetel sehingga memungkinkan penggunaan potensial dalam rentang aplikasi yang lebih luas.

Prestasi Departemen Fisika Universitas NUS

Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Profesor Arriando dari Departemen Fisika di Universitas Nasional Singapura mengembangkan teknik dan berhasil mencapai keselarasan terkontrol dari supermoire hBN/graphene/hBN. Teknik ini memungkinkan penataan dua pola moiré secara tepat, satu di atas yang lain. Sementara itu, para peneliti juga merumuskan “Golden Rule of Three” untuk memandu penggunaan teknologi mereka untuk menciptakan jaringan super-ripple.

Hasilnya baru-baru ini dipublikasikan di jurnal Komunikasi Alam.

Ilustrasi seniman tentang kisi super-moffered dengan sudut bengkok (θt dan θb) yang terbentuk antara graphene, lapisan atas boron nitrida heksagonal (T-hBN) dan lapisan bawah boron nitrida heksagonal (B-hBN). Sedikit ketidaksejajaran menyebabkan terbentuknya pola kisi super-moppy. Kredit: Komunikasi Alam

Tantangan dan solusi

Ada tiga tantangan utama dalam menciptakan kisi graphene ultra-moppy. Pertama, penyelarasan optik konvensional sangat bergantung pada tepi lurus graphene, namun menemukan wafer graphene yang sesuai memakan waktu dan tenaga; Kedua, bahkan jika sampel graphene bermata lurus digunakan, terdapat kemungkinan kecil sebesar 1/8 untuk mendapatkan kisi moiré yang disejajarkan ganda, karena ketidakpastian tentang asimetri tepi dan simetri kisi. Ketiga, meskipun simetri tepi dan simetri kisi dapat ditentukan, kesalahan penyelarasan seringkali besar (lebih besar dari 0,5°), karena secara fisik sulit untuk menyelaraskan dua bahan kisi yang berbeda.

Dr Junxiong Ho, penulis utama makalah penelitian ini, mengatakan: “Teknologi kami membantu memecahkan masalah kehidupan nyata. Beberapa peneliti mengatakan kepada saya bahwa biasanya diperlukan waktu sekitar satu minggu untuk memproses sampel. Dengan teknologi kami, mereka tidak hanya dapat mempersingkat waktu produksi, namun juga meningkatkan kinerja secara signifikan Ketepatan dari sampel.”

visi artistik

Para ilmuwan awalnya menggunakan “teknik rotasi 30 derajat” untuk mengontrol kesejajaran lapisan atas hBN dan graphene. Kemudian mereka menggunakan ‘teknik inversi’ untuk mengontrol keselarasan lapisan hBN atas dan lapisan hBN bawah. Berdasarkan kedua metode ini, mereka dapat mengontrol simetri kisi dan menyesuaikan struktur pita kisi panjang gelombang super graphene. Mereka juga menunjukkan bahwa tepi grafit yang berdekatan dapat berfungsi sebagai panduan untuk penyelarasan penumpukan. Dalam penelitian ini, mereka mensintesis 20 sampel moiré dengan akurasi lebih baik dari 0,2°.

Profesor Arriando berkata: “Kami telah menetapkan tiga aturan emas untuk teknologi kami yang dapat membantu banyak peneliti di komunitas material dua dimensi. Pekerjaan kami juga diharapkan dapat memberi manfaat bagi banyak ilmuwan yang bekerja pada sistem lain yang berkorelasi kuat seperti graphene bilayer bengkok sudut ajaib atau graphene multilayer bertumpuk ABC. Melalui perbaikan teknis ini, saya berharap dapat mempercepat pengembangan materi gelombang kuantum generasi berikutnya.

usaha masa depan

Saat ini, tim peneliti memanfaatkan teknologi ini untuk membuat kisi graphene ultra-panjang gelombang satu lapis dan mengeksplorasi sifat unik dari sistem material ini. Selain itu, mereka juga memperluas teknologi yang ada ke sistem fisik lain, untuk menemukan fenomena kuantum baru lainnya.

Referensi: “Penyelarasan terkontrol kisi superlattis dalam heterostruktur graphene sejajar ganda” oleh 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 Tae-Shin Wei, Shafik Adam dan A. Arriando, 12 Juli 2023, Tersedia Disini. Komunikasi Alam.
doi: 10.1038/s41467-023-39893-5