“Regras de ouro” para a construção de massas atômicas

O modelo do relógio mostra o alinhamento de rotação entre o ponteiro das horas (hBN superior), o ponteiro dos minutos (grafeno intermediário) e o ponteiro dos segundos (hBN inferior). A combinação do hBN superior, do grafeno intermediário e do hBn inferior resulta em uma estrutura de rede super-ondulada no centro do relógio. Crédito: Universidade Nacional de Singapura

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

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

Grampos supermoiré

Os padrões moiré são formados 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 entre elas. O ângulo de torção é o ângulo entre as orientações cristalográficas das duas estruturas. Por exemplo, quando Grafeno O nitreto de boro hexagonal (hBN) é um material em camadas, um sobre o outro, e os átomos nas duas estruturas não se alinham perfeitamente, criando 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 juntos, uma nova estrutura chamada malha moiré é criada. Em comparação com materiais tradicionais de corrugação simples, esta rede supercorrugada expande a gama de propriedades ajustáveis ​​do material, permitindo 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 alcançar o alinhamento controlado da rede 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 técnica para criar redes super-onduladas.

Os resultados foram publicados recentemente na revista Comunicações da Natureza.

Ilustração artística da superrede com cantos torcidos (θt e θb) formada entre o grafeno e a camada superior de nitreto de boro hexagonal (T-hBN) e a camada inferior de nitreto de boro hexagonal (B-hBN). Um ligeiro desalinhamento resulta na formação de um padrão de malha superondulado. Crédito: Nature Communications

Desafios e soluções

Existem três desafios principais na criação da rede de grafeno ultra-ondulação. Primeiro, o alinhamento óptico convencional depende muito das bordas retas do grafeno, mas encontrar um wafer de grafeno adequado é demorado e trabalhoso; Em segundo lugar, mesmo se uma amostra de grafeno com bordas retas for usada, há uma probabilidade baixa de 1/8 de obter uma rede superripple duplamente alinhada, devido à incerteza da assimetria das bordas e da simetria da rede. Terceiro, embora a simetria das bordas e da malha possa ser determinada, os erros de alinhamento são frequentemente grandes (maiores que 0,5°), pois é fisicamente difícil alinhar dois materiais de malha diferentes.

Junxiong Hu, 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 fazer a amostra. Com a nossa tecnologia, eles podem não apenas reduzir significativamente o tempo de fabricação, mas também melhorar significativamente Precisão da amostra.”

Insights artísticos

Os cientistas inicialmente usam uma “técnica de rotação de 30 graus” para controlar o alinhamento das camadas superiores de hBN e grafeno. Eles então 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 de bandas da superrede de grafeno. Eles também mostraram que uma borda de grafite adjacente pode servir como guia para o alinhamento do empilhamento. Neste estudo, eles fabricaram 20 amostras moiré com uma precisão superior a 0,2 graus.

O professor Ariando disse: “Estabelecemos três regras de ouro para nossa tecnologia que podem ajudar muitos pesquisadores na comunidade de materiais 2D. Espera-se também que nosso trabalho beneficie muitos cientistas que trabalham em outros sistemas fortemente interconectados, como o grafeno de bicamada torcida de ângulo mágico ou o grafeno multicamadas empilhado ABC. Através desta melhoria técnica, espero que acelere o desenvolvimento da próxima geração de matéria quântica ondulatória.

Futuros empreendimentos

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

Referência: “Alinhamento controlado da rede de superondas 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 Thi Chien Wei, Shafik Adam e A. Ariando, 12 de julho de 2023, Comunicações da Natureza.
doi: 10.1038/s41467-023-39893-5