As “Regras de Ouro” para a construção de massas atômicas

Os físicos desenvolveram uma técnica para alinhar com precisão redes super-onduladas, revolucionando a possibilidade da próxima geração de matéria quântica ondulada.

Físicos da Universidade Nacional de Singapura (NUS) desenvolveram uma técnica para controlar com precisão o alinhamento de redes superondulantes usando um conjunto de regras de ouro, abrindo caminho para o avanço da próxima geração de matéria quântica ondulada.

Redes Supermoiré

Os padrões moiré se formam quando duas estruturas periódicas idênticas são sobrepostas com um ângulo de torção relativo entre elas ou duas estruturas periódicas diferentes, mas sobrepostas com ou sem um ângulo de torção. O ângulo de torção é o ângulo entre as orientações cristalinas das duas estruturas. Por exemplo, quando Grafeno Nitreto de boro hexagonal (hBN) são materiais com camadas sobrepostas umas sobre as outras, e os átomos nas duas estruturas não estão alinhados perfeitamente, o que cria um padrão de franjas de interferência, chamado padrão moiré. Isso leva à reconstrução eletrônica.

O padrão moiré no grafeno e no hBN tem sido usado para criar novas estruturas com propriedades exóticas, como correntes topológicas e estados borboleta de Hofstadter. Quando dois padrões moiré são empilhados, uma nova estrutura chamada rede moiré é criada. Em comparação com materiais tradicionais de onda única, esta rede ultra-onda expande a gama de propriedades ajustáveis ​​do material, permitindo o uso potencial em uma gama muito mais ampla de aplicações.

Conquistas do Departamento de Física da Universidade NUS

Uma equipe de pesquisa liderada pelo Professor Ariando, do Departamento de Física da Universidade Nacional de Cingapura, desenvolveu uma técnica e conseguiu com sucesso o alinhamento controlado do supermoiré hBN/grafeno/hBN. Esta técnica permite a disposição precisa de dois padrões moiré, um sobre o outro. Enquanto isso, os pesquisadores também formularam a “Regra de Ouro de Três” para orientar o uso de sua tecnologia para criar redes super-onduladas.

Os resultados foram publicados recentemente na revista Comunicações da Natureza.

Ilustração artística da rede supermoffer com ângulos torcidos (θt e θb) formados entre o grafeno, a camada superior de nitreto de boro hexagonal (T-hBN) e a camada inferior de nitreto de boro hexagonal (B-hBN). Um ligeiro desalinhamento leva à formação de um padrão de rede supermoppy. Crédito: Nature Communications

Desafios e soluções

Existem três desafios principais na criação de uma rede de grafeno ultra-moppy. Primeiro, o alinhamento óptico convencional depende muito de bordas retas de grafeno, mas encontrar um wafer de grafeno adequado é demorado e trabalhoso; Em segundo lugar, mesmo que a amostra de grafeno com arestas retas seja usada, há uma baixa probabilidade de 1/8 de obter uma rede moiré duplamente alinhada, devido a incertezas sobre a assimetria das bordas e a simetria da rede. Terceiro, embora a simetria das arestas e a simetria da rede possam ser determinadas, os erros de alinhamento são frequentemente grandes (maiores que 0,5°), uma vez que é fisicamente difícil alinhar dois materiais de rede diferentes.

Dr. Junxiong Ho, principal autor do artigo de pesquisa, disse: “Nossa tecnologia ajuda a resolver um problema da vida real. Vários pesquisadores me disseram que normalmente leva cerca de uma semana para processar a amostra. Com a nossa tecnologia, eles podem não apenas reduzir significativamente o tempo de fabricação, mas também melhorar significativamente o desempenho Precisão da amostra.”

visões artísticas

Os cientistas estão usando inicialmente a “técnica de rotação de 30 graus” para controlar o alinhamento das camadas superiores do hBN e do grafeno. Em seguida, eles usam uma ‘técnica de inversão’ para controlar o alinhamento das camadas superiores de hBN e das camadas inferiores de hBN. Com base nesses dois métodos, eles podem controlar a simetria da rede e ajustar a estrutura da banda da rede de supercomprimentos de onda do grafeno. Eles também mostraram que a borda de grafite adjacente pode servir como guia para o alinhamento do empilhamento. Neste estudo, eles sintetizaram 20 amostras moiré com uma precisão melhor que 0,2°.

O professor Ariando disse: “Estabelecemos três regras de ouro para a nossa tecnologia que podem ajudar muitos pesquisadores na comunidade de materiais bidimensionais. Espera-se também que nosso trabalho beneficie muitos cientistas que trabalham em outros sistemas fortemente correlacionados, como o grafeno de bicamada torcida com ângulo mágico ou o grafeno multicamadas empilhado ABC. Através desta melhoria técnica, espero que acelere o desenvolvimento da próxima geração de matéria ondulatória quântica.

empreendimentos futuros

Atualmente, a equipe de pesquisa está aproveitando esta tecnologia para fabricar uma rede de grafeno de ultra comprimento de onda de camada única e explorar as propriedades únicas deste sistema de material. Além disso, estão também a alargar a tecnologia existente a outros sistemas físicos, para descobrir outros novos fenómenos quânticos.

Referência: “Alinhamento controlado da rede de superredes em heteroestruturas de grafeno duplamente alinhadas” por 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 e A. Ariando, 12 de julho de 2023, disponível aqui. Comunicações da Natureza.
doi: 10.1038/s41467-023-39893-5