Вчені створили п’ятисмугову квантову супермагістраль для електронів

Фізики Массачусетського технологічного інституту розробили нову форму графену, створивши п’ятисмугову електромагістраль, яка забезпечує надефективний рух електронів без втрати енергії. Цей прорив у ромбоедричному п’ятишаровому графені може трансформувати малопотужні електронні пристрої та працює через квантовий аномальний ефект Холла при нульовому магнітному полі.

Фізики Массачусетського технологічного інституту та їхні співробітники створили п’ятисмугову магістраль для електронів, яка може дозволити використовувати надефективну електроніку тощо. Робота, про яку нещодавно повідомляється в журналі Science, є одним із кількох важливих відкриттів, зроблених тією ж командою за останній рік, пов’язаних із матеріалом, який є унікальною формою графену.

«Це відкриття має безпосередні наслідки для електронних пристроїв малої потужності, оскільки під час поширення електронів не втрачається енергія, чого немає у звичайних матеріалах, де електрони розсіюються», — говорить Лонг Джу, доцент кафедри фізики. і автор-кореспондент статті Science.

Це явище схоже на автомобілі, які рухаються по відкритій швидкісній дорозі, на відміну від тих, що рухаються по сусідству. Інші водії можуть зупинити або сповільнити сусідні автомобілі, які різко зупиняються або розвертаються, що порушує безперебійну роботу.

Новий матеріал: ромбоедричний графен

Матеріал, що лежить в основі цієї роботи, відомий як ромбоедричний п’ятишаровий графен, був відкритий два роки тому фізиками на чолі з Джу. «Ми знайшли золоту жилу, і кожна довідка відкриває щось нове», — каже Джу, який також працює в лабораторії дослідження матеріалів Массачусетського технологічного інституту.

У документі Nature Nanotechnology у жовтні минулого року Джу та його колеги повідомили про відкриття трьох важливих властивостей ромбоедричного графену. Наприклад, вони показали, що він може бути топологічним або дозволяти безперешкодний рух електронів навколо краю матеріалу, але не через середину. Це призвело до створення супермагістралі, але вимагало застосування великого магнітного поля, яке в десятки тисяч разів сильніше за магнітне поле Землі.

Покращення електронних каналів графена

У поточній роботі команда повідомляє про створення супермагістралі без жодного магнітного поля. Tonghang Han, аспірант Массачусетського технологічного інституту з фізики, є одним із авторів статті. «Ми не перші, хто виявив це загальне явище, але ми зробили це в зовсім іншій системі. Порівняно з попередніми системами, наша простіша, а також підтримує більше електронних каналів». Джу пояснює: «інші матеріали можуть підтримувати лише одну смугу руху на краю матеріалу. Ми раптом підняли його до п’яти».

Іншими співавторами статті, які внесли рівний внесок у роботу, є Zhengguang Lu і Yuxuan Yao. Лу є постдоктом у Лабораторії дослідження матеріалів. Яо проводив роботу в якості запрошеного студента університету Цінхуа. Інші автори: професор фізики Массачусетського технологічного інституту Лян Фу; Jixiang Yang і Junseok Seo, обидва аспіранти MIT з фізики; Чіхо Юн і Фан Чжан з Техаського університету в Далласі; і Кендзі Ватанабе і Такаші Танігучі з Національного інституту матеріалознавства в Японії.

Як це працює

Графіт, основний компонент грифеля для олівців, складається з багатьох шарів графену, одного шару атомів вуглецю, розташованих у вигляді шестикутників, що нагадують стільникову структуру. Ромбоедричний графен складається з п’яти шарів графену, складених у певному порядку, що перекривається.

Джу та його колеги виділили ромбоедричний графен завдяки новому мікроскопу Ju, створеному в Массачусетському технологічному інституті у 2021 році, який може швидко та відносно недорого визначати різноманітні важливі характеристики матеріалу на нанорозмірі . П’ятишаровий ромбоедричний складений графен має товщину лише кілька мільярдних часток метра.

У поточній роботі команда повозилася з оригінальною системою, додавши шар дисульфіду вольфраму (WS₂). «Взаємодія між WS₂ і п’ятишаровим ромбоедричним графеном призвела до створення цієї п’ятисмугової магістралі, яка працює в нульовому магнітному полі», — говорить Джу.

Порівняння з надпровідністю

Явище, яке група Ju виявила в ромбоедричному графені, яке дозволяє електронам подорожувати без опору в нульовому магнітному полі, відоме як квантовий аномальний ефект Холла. Більшість людей більше знайомі з надпровідністю, зовсім іншим явищем, яке чинить те саме, але відбувається в зовсім інших матеріалах.

Джу зазначає, що хоча надпровідники були відкриті в 1910-х роках, знадобилося близько 100 років досліджень, щоб змусити систему працювати при вищих температурах, необхідних для застосування. «І світовий рекорд все ще значно нижчий за кімнатну температуру», — зазначає він.

Подібним чином ромбоедрична графенова супермагістраль зараз працює при температурі близько 2 кельвінів, або -456 градусів за Фаренгейтом. «Потрібно багато зусиль, щоб підняти температуру, але як фізики, наша робота полягає в тому, щоб надати розуміння; інший спосіб усвідомлення цього [феномену]», — каже Джу.

Наслідки та майбутні перспективи

Відкриття, пов’язані з ромбоедричним графеном, стали результатом кропітких досліджень, які не гарантували результату. «Ми випробували багато рецептів протягом багатьох місяців, — каже Хан, — тому було дуже цікаво, коли ми охолодили систему до дуже низької температури, і [п’ятисмугова магістраль, що працює в нульовому магнітному полі] просто вискочила».

Джу каже: «Дуже цікаво бути першим, хто виявив явище в новій системі, особливо в матеріалі, який ми розкрили».