Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl

Kulstof i tynde lag kan bruges som komponenter i kvanteelektronik

I en artikel i Advanced Materials offentliggjort i juni 2020 beskriver forskere fra IFA hvordan de har bygget en funktionel kvantekomponent bestående af graphen i dobbeltlag og målt egenskaberne med fotoemission på nanoskala

12.06.2020 | Ole J. Knudsen

Imellem to lag graphen opstår der nye effekter, når de drejes i forhold til hinanden. Illustration fra artiklen.

Imellem to lag graphen opstår der nye effekter, når de drejes i forhold til hinanden. Illustration fra artiklen.

To ark gennemsigtigt plastic med ens mønstre på giver smukke nye mønstre hvis man lægger dem oven på hinanden og drejer dem i forhold til hinanden - et moirémønster opstår. Det samme sker i nanoverdenen.

Materialeforskere fra hele verden fokuserer for tiden intenst på et todimensionelt materiale, der består af to atomtynde lag af kulstofatomer, lagt tæt sammen med en endelig rotationsvinkel mellem de to lag. Dette materiale; graphen viser så lovende egenskaber, at opdagelsen af det resulterede i en nobelpris i fysik i 2010. I artiklen studeres et roteret dobbeltlag af materialet graphen. Det specielle ved et roteret dobbeltlag er, at man kan styre rotationsvinklen og dermed inducere en såkaldt singularitet i de elektroniske kvantetilstande af materialet. En singularitet er et sted i materialet, hvor de normale forhold ændres radikalt. Normalt opfører et enkelt graphenlag sig som et metal, men fremkomsten af denne singularitet gør det muligt at lokke de to sammenklaskede og drejede lag til at blive superledende, hvorved en elektrisk strøm kan ledes uden nogen energitab.

I artiklen i Advanced Materials deler PhD studerende Alfred Jones og Paulina Majchrzak fra Søren Ulstrups gruppe på IFA nu førsteforfatterskab på en artikel, hvor de direkte har målt den elektroniske singularitet i et roteret dobbeltlag af graphen og de viser for første gang, at man kan flytte singularitetens energi, så konstruktionen kan fungere ligesom en komponenet i et elektronisk kredsløb; men i nano-størrelse.

I forsøget tog forskerne de to graphenlag og klaskede dem ovenpå hinanden på et halvledende materiale. Ved hjælp af nanolitografi kunne de elektrisk forbinde disse rå materialer til en mikrochip og dermed opnå en funktionelt kvantekomponent. Målingen af singulariteten blev gennemført ved at indsætte denne mikrochip i et ultra-høj vakuumkammer ved synkrotronstrålingskilden Diamond Light Source i England, hvor det er muligt at fokusere røntgenstrålingen fra synkrotronen ned på nanometerskala, og derved tage direkte billeder af kvantetilstandene i materialerne. Ved at skrue på spændingen på mikrochippen under selve målingen kunne forskerne se hvordan singularitetens energi flyttes i komponenten.

Dette resultat fører til, at man nu kan forudsige hvilke rotationsvinkler og spændingsfald, man skal anvende i praksis, hvis man vil bygge kvantekomponenter med roterede graphenlag, hvor der skal opstå superledning i mini-elektriske kredsløb, som virkeligt fungerer.

Artiklen kan findes i sin endelige version i dette link.

Institut for Fysik og Astronomi, Medarbejdere, Offentligheden / Pressen, Studerende