Fisikawan dari Massachusetts Institute of Technology mengubah pensil menjadi “emas” elektronik.

Insulasi foil tipis yang dapat disesuaikan untuk menunjukkan tiga sifat penting.

Institut Teknologi Massachusetts Fisikawan secara kiasan telah mengubah grafit, atau pensil, menjadi emas dengan mengisolasi lima serpihan ultrahalus yang ditumpuk dalam susunan tertentu. Bahan yang dihasilkan kemudian dapat disetel untuk menunjukkan tiga sifat penting yang belum pernah terlihat pada grafit alam.

“Ini seperti one-stop shopping,” kata Long Guo, asisten profesor di Departemen Fisika MIT dan pemimpin penelitian yang diterbitkan dalam jurnal edisi 5 Oktober. Nanoteknologi alam. “Alam punya banyak kejutan, dalam hal ini kita tidak pernah menyadari bahwa semua hal menarik itu ada dalam grafit.

Selain itu, “sangat jarang menemukan bahan yang dapat menampung sifat sebanyak ini,” katanya.

Munculnya “Twistronics”

Grafit terbuat dari GrafenaIni adalah satu lapisan atom karbon yang tersusun dalam bentuk heksagonal menyerupai struktur sarang lebah. Graphene, pada gilirannya, telah menjadi fokus penelitian intensif sejak pertama kali diisolasi sekitar 20 tahun lalu. Sekitar lima tahun yang lalu, para peneliti, termasuk tim dari MIT, menemukan bahwa menumpuk lembaran-lembaran graphene, dan memelintirnya sedikit miring satu sama lain, dapat memberikan sifat-sifat baru pada material tersebut, mulai dari superkonduktivitas hingga magnetisme. Bidang “twistronics” lahir.

Dalam penelitian kali ini, “kami menemukan properti menarik tanpa adanya perubahan sama sekali,” kata Gu, yang juga berafiliasi dengan Laboratorium Penelitian Material.

Demonstrasi artistik pengikatan elektron, atau kemampuan elektron untuk berbicara satu sama lain, yang dapat terjadi pada jenis grafit khusus (pensil). Sumber gambar: Sampson Wilcox, Laboratorium Penelitian Elektronik MIT

Dia dan rekan-rekannya menemukan bahwa lima lapisan graphene yang disusun dalam urutan tertentu memungkinkan elektron yang bergerak di dalam material untuk berbicara satu sama lain. Fenomena ini, yang dikenal sebagai korelasi elektron, “adalah keajaiban yang memungkinkan semua sifat baru ini terjadi,” kata Joe.

Grafit massal – dan bahkan lembaran graphene tunggal – adalah konduktor listrik yang baik, tapi itu saja. Materi yang diisolasi oleh Gu dan rekan-rekannya, yang mereka sebut graphene bertumpuk lima lapis, menjadi jauh lebih besar daripada jumlah bagian-bagiannya.

Mikroskop baru dan penemuannya

Kunci untuk mengisolasi materi adalah A Mikroskop baru Joe di MIT pada tahun 2021 dapat menentukan berbagai sifat penting suatu materi dengan cepat dan relatif murah. Skala nano. Grafena bertumpuk dengan lapisan pentahedral hanya setebal beberapa miliar meter.

Para ilmuwan termasuk Gu sedang mencari graphene berlapis-lapis yang ditumpuk dalam susunan yang sangat tepat, yang dikenal sebagai penumpukan belah ketupat. “Ada lebih dari 10 kemungkinan susunan jika Anda turun ke lima lapisan,” kata Joe. “Rombohedral hanyalah salah satunya.” Mikroskop yang dibuat Joe, dikenal sebagai Scattering-type Scanning Nearfield Optical Microscopy, atau s-SNOM, memungkinkan para ilmuwan untuk mengidentifikasi dan mengisolasi lima lapisan saja.Dalam susunan belah ketupat yang mereka minati.

Fenomena fisik beraneka segi

Dari sana, tim memasang elektroda ke sandwich kecil yang terbuat dari “roti” boron nitrida yang melindungi “daging” tipis dari tumpukan graphene pentahedral. Elektroda memungkinkan mereka menyetel sistem ke voltase berbeda atau jumlah berbeda. Hasilnya: Mereka menemukan bahwa tiga fenomena berbeda muncul bergantung pada jumlah elektron yang membanjiri sistem.

Rekan pascadoktoral MIT Zhengguang Lu, asisten profesor Long Ju, dan mahasiswa pascasarjana Tonghang Han berada di lab. Ketiganya adalah penulis makalah di jurnal Nature Nanotechnology tentang jenis grafit khusus (timah pensil), bersama tujuh orang lainnya. Kredit: GoLab

“Kami menemukan bahwa materi dapat bersifat isolasi, magnetis, atau topologi,” kata Gu. Yang terakhir ini sampai batas tertentu terkait dengan konduktor dan isolator. Joe menjelaskan bahwa material topologi memungkinkan pergerakan elektron tanpa hambatan di sekitar tepi material, tetapi tidak melalui bagian tengahnya. Elektron bergerak satu arah sepanjang “jalan raya” di tepi material yang dipisahkan oleh medium yang membentuk pusat material. Jadi bagian tepi suatu material topologi merupakan konduktor sempurna, sedangkan bagian tengahnya merupakan isolator.

“Pekerjaan kami menetapkan graphene multilayer bertumpuk belah ketupat sebagai platform yang sangat dapat disesuaikan untuk mempelajari kemungkinan-kemungkinan baru untuk fisika topologi dan sangat berpasangan,” Guo dan rekan penulisnya menyimpulkan dalam Nanoteknologi alam.

Referensi: “Dielektrik koheren dan isolator Chern dalam graphene bertumpuk lima lapis” oleh Tonghang Han, Zhenguang Lu, Giovanni Scurri, Jihu Song, Gui Wang, Tian Yi Han, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Hongkun Park, dan Long Ju, 5 Oktober 2023, Nanoteknologi alam.
doi: 10.1038/s41565-023-01520-1

Selain Gu, penulis makalah ini adalah Tonghang Han dan Zhenguang Lu. Han adalah seorang mahasiswa pascasarjana di Departemen Fisika. Lu adalah rekan pascadoktoral di Laboratorium Penelitian Material. Mereka adalah penulis pertama makalah ini.

Penulis lainnya adalah Giovanni Scurri, Jiho Song, Joy Wang dan Hongkun Park dari Universitas Harvard; Kenji Watanabe dan Takashi Taniguchi dari National Institute of Materials Science di Jepang, dan Tianyi Han dari Massachusetts Institute of Technology for Physics.

Pekerjaan ini didukung oleh Sloan Fellowship; Yayasan Sains Nasional AS; Kantor Wakil Menteri Pertahanan Bidang Riset dan Teknik; Masyarakat Jepang untuk Promosi Ilmu Pengetahuan KAKENHI; Inisiatif penelitian internasional terkemuka di dunia di Jepang; dan Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara AS.