Fyzici z Columbia University vyvinuli nový prvek, pomocí kterého je možné měnit velikost úhlu mezi vrstvami 2D materiálů, jako je grafen, a ovlivňovat jejich vlastnosti. Vzniká tak obor „twistronika“, která může znamenat zcela nový přístup k navrhování elektronických zařízení.
Fyzici již před pár lety přišli na to, že vlastnosti 2D materiálů lze jednoduše modifikovat prostřednictvím změny úhlu mezi jejich jednotlivými vrstvami. Například grafen standardně nemá zakázaný pás. Pokud ale přijde do kontaktu s jiným 2D materiálem, hexagonálním nitridem bóru, který má velmi podobnou mřížkovou konstantu, zakázaný pás se objeví. Vrstvy grafenu a nitridu utvoří takzvanou moaré supermřížku. Když se vrstvy otočí tak, že přestanou být vyrovnané a úhel mezi nimi se zvětší, zakázaný pás opět zmizí. Tímto způsobem je možné proměnit grafen z kovového materiálu na polovodič.
Až doteď bylo potřeba pro každý úhel otočení vytvořit vždy nový prvek, což sebou neslo řadu obtíží, například s odlišením úhlových závislostí od přirozených rozdílů mezi jednotlivými prvky. Tým z Columbia University však nyní vyvinul prvek, jehož vrstvy se dají kontinuálně otáčet a přitom je možné měřit fyzikální a elektronické vlastnosti. Jde o zcela nový princip, který umožňuje přepínat mezi libovolným počtem komplementárních stavů v prvku.
Nová technika využívá toho, že mezi vrstvami 2D materiálů není silná vazba, takže po sobě mohou snadno klouzat (to je také důvod, proč se grafit používá jako tuha v tužkách a nitrid bóru jako suché mazivo v průmyslu). Vědci vytvořili nanometrový prvek ve tvaru ozubeného soukolí. Pomocí speciální techniky umístili ozubené kolečko vyrobené z nitridu bóru nad povrch aktivní oblasti z grafenu. Potom využili mikroskop atomární síly, aby postrčili jeden zub kolečka a to se začalo otáčet.
Vědci potvrdili, že je možné dosáhnout a řídit rotace v heterostrukturách grafenu a nitridu bóru, a tím dynamicky měnit elektrické, optické i mechanické vlastnosti u zařízení, jež je z těchto struktur zhotoveno. Důležité je zejména to, že zakázaný pás pozorovaný v grafenu je laditelný a může být podle potřeby vytvořen nebo zrušen pouhou změnou orientace mezi vrstvami.
Poznatky amerických vědců by mohly najít uplatnění při vývoji nových druhů spínacích technologií, jako jsou laditelná čidla a laditelné elektromechanické a elektrooptické prvky. Fyzici teď studují jevy, které vznikají v důsledku interakce mezi vrstvami. Objev supravodivosti v pootočené dvojvrstvě grafenu je výsledkem interakce mezi jednotlivými vrstvami, i když žádná z nich sama o sobě supravodivá není. Existuje ale ještě řada podobných jevů jako spontánní magnetické uspořádání nebo topologicky chráněné zakázané pásy, které při určitém pootočení vrstev vznikají.
Na fyziky navíc teď čeká úkol prostudovat další 2D materiály, které mohou interagovat obdobným způsobem jako grafen a nitrid bóru.
Výzkum je popsán v Science.
Mohlo by vás zajímat:
Jak
příroda varuje před katastrofami
Ultrarychlý
grafenový bolometr
Permitivita
vody trochu jinak
Vesmírná
mise otestuje kvantovou gravitaci