Onderzoekers maken 'onzichtbare snelwegen' zichtbaar in verdraaid grafeen
Leg twee hekken met hetzelfde patroon een heel klein beetje schuin op elkaar, en je krijgt een nieuw, groter patroon. Dat heet een moiré-patroon, je kent het misschien van twee vitrages voor het raam die samen een golvend effect geven. Natuurkundigen doen dit met lagen grafeen, een supersterk materiaal van één laag koolstofatomen, en ontdekken daarbij steeds vreemdere eigenschappen. Nu hebben onderzoekers voor het eerst een extra laag complexiteit zichtbaar gemaakt: een patroon van patronen, een 'supermoiré'.
Het gaat om drie lagen grafeen die om en om een beetje gedraaid op elkaar liggen, met een draaihoek van ongeveer 1,7 graden. Dat heet helisch drielaags grafeen. Bij zo'n kleine verdraaiing ontstaan grotere patronen (moiré-roosters) die op hun beurt weer net niet helemaal bij elkaar passen. Het resultaat: het materiaal verdeelt zichzelf in nette gebieden (domeinen) die onderling goed samenpassen, met daartussen grensgebieden die de kleine mismatch opvangen.
Dit was al theoretisch voorspeld, maar nu is het voor het eerst echt gezien. Een onderzoeksteam gebruikte een scanning-tunnelmicroscoop, een instrument dat met een ultradun naaldje individuele atomen kan aftasten, om het materiaal letterlijk in beeld te brengen op atomaire schaal.
Elk gebied zijn eigen gedrag, de randen geleiden stroom
De metingen laten zien dat elk nette domein zich gedraagt als een topologische isolator. Dat is een materiaal dat van binnen stroom tegenhoudt, maar waarvan de randen juist heel goed geleiden. De onderzoekers vonden in elk domein "platte banden" (elektronen die nauwelijks bewegen) die gescheiden zijn van andere energieniveaus door een flinke energiekloof van ongeveer 40 milli-elektronvolt.
Het spannendste zit hem in de grenzen tussen die domeinen. Daar ontdekten de onderzoekers geleidende randtoestanden, een soort smalle, elektrische snelwegen die over de hele lengte van de grens even sterk zijn. Dat komt opvallend goed overeen met berekeningen over zogeheten valley-beschermde topologische randmodi, een type geleiding dat extra stabiel is omdat het beschermd wordt door een quantumeigenschap van de elektronen.
De onderzoekers konden zelfs zien waarom dit gebeurt op atomair niveau. Aan weerszijden van zo'n grens zit de golffunctie van de elektronen (een wiskundige beschrijving van waar een elektron zich waarschijnlijk bevindt) op een ander deel van het koolstofrooster. Die omkering, zichtbaar gemaakt door de onderzoekers, verklaart waarom het materiaal aan de ene kant anders is dan aan de andere kant.
Wat betekent dit (nog) niet: Dit is een mooie bevestiging van bestaande theorie, geen compleet nieuw natuurkundig fenomeen. Het experiment toont aan dat voorspelde patronen en geleidende randen echt bestaan in dit specifieke materiaal bij deze specifieke draaihoek. Het is nog geen werkende technologie: er wordt geen chip of quantumcomputer mee gebouwd. Wel geeft het natuurkundigen een beter begrip van hoe je met simpele verdraaiingen van materiaal complexe elektronische eigenschappen kunt ontwerpen.
Waarom is dit interessant? Topologische materialen staan al jaren in de belangstelling omdat hun randgeleiding extra stabiel is tegen verstoringen, zoals onzuiverheden of trillingen. Dat zou in de toekomst nuttig kunnen zijn voor elektronica die minder energie verspilt. Dit onderzoek laat zien dat je zulke eigenschappen kunt maken door simpelweg lagen grafeen net iets anders te draaien, zonder exotische chemische ingrediënten nodig te hebben.
Bron: Supermoiré Formation and Robust Topological Edge State in Helical Trilayer Graphene