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Das verborgene Potenzial von Graphen für die Weiterentwicklung der Quanteninformationswissenschaft nutzen

Graphen-Gerät auf Siliziumdioxid-Chip

Ein optisches Bild der Graphenvorrichtung auf einem Siliziumdioxid / Silizium-Chip. Glänzende Metalldrähte werden zur elektrischen Messung mit Goldelektroden verbunden. Bildnachweis: Guorui Chen / Berkeley Lab

Wissenschaftler des Berkeley Lab erschließen GraphenVerborgenes Talent als elektrisch abstimmbarer Supraleiter, Isolator und magnetisches Gerät zur Weiterentwicklung der Quanteninformationswissenschaft.

Seit der Entdeckung von Graphen im Jahr 2004 haben Wissenschaftler nach Wegen gesucht, dieses talentierte, atomar dünne 2D-Material zum Einsatz zu bringen. Dünner als ein einzelner Strang DNA Graphen ist 200-mal stärker als Stahl und ein ausgezeichneter Strom- und Wärmeleiter. Es kann sich an eine beliebige Anzahl von Formen anpassen, von einer ultradünnen 2D-Folie bis hin zu einer elektronischen Schaltung.

Im vergangenen Jahr entwickelte ein Forscherteam unter der Leitung von Feng Wang, einem Fakultätswissenschaftler in der Abteilung Materialwissenschaften des Berkeley Lab und Professor für Physik an der UC Berkeley, ein Multitasking-Graphen-Gerät, das von einem supraleitenden Stromleiter zu einem widerstandsfähigen Isolator wechselt den Stromfluss und wieder zurück zu einem Supraleiter.

Nun, wie heute in der Zeitschrift berichtet NaturDie Forscher haben das Talent ihres Graphensystems genutzt, um nicht nur zwei, sondern drei Eigenschaften zu jonglieren: supraleitend, isolierend und eine Art Magnetismus namens Ferromagnetismus. Das Multitasking-Gerät könnte neue physikalische Experimente ermöglichen, beispielsweise die Erforschung eines Stromkreises für schnellere Elektronik der nächsten Generation Quanten-Computing Technologien.

Trilayer Graphen Material Sandwich

Optisches Bild eines dreischichtigen Graphenmaterials zwischen Bornitridschichten während des Nanofabrikationsprozesses (links); und die dreischichtige Graphen / Bornitrid-Vorrichtung mit Goldelektroden (rechts). Bildnachweis: Guorui Chen / Berkeley Lab

„Bisher waren Materialien, die gleichzeitig supraleitende, isolierende und magnetische Eigenschaften aufweisen, sehr selten. Und die meisten Menschen glaubten, dass es schwierig sein würde, Magnetismus in Graphen zu induzieren, da es normalerweise nicht magnetisch ist. Unser Graphensystem ist das erste, das alle drei Eigenschaften in einer einzigen Probe kombiniert “, sagte Guorui Chen, Postdoktorand in Wangs ultraschneller Nanooptik-Gruppe an der UC Berkeley und Hauptautor der Studie.

Strom nutzen, um das verborgene Potenzial von Graphen einzuschalten

Graphen hat in der Welt der Elektronik viel Potenzial. Seine atomar dünne Struktur in Kombination mit seiner robusten elektronischen und thermischen Leitfähigkeit könnte “einen einzigartigen Vorteil bei der Entwicklung von Elektronik- und Speichergeräten der nächsten Generation bieten”, sagte Chen, der auch als Postdoktorand in der Abteilung Materialwissenschaften des Berkeley Lab tätig war zum Zeitpunkt der Studie.

Das Problem ist, dass die heute in der Elektronik verwendeten magnetischen Materialien aus ferromagnetischen Metallen wie Eisen- oder Kobaltlegierungen bestehen. Ferromagnetische Materialien haben wie der gewöhnliche Stabmagnet einen Nord- und einen Südpol. Wenn ferromagnetische Materialien zum Speichern von Daten auf der Festplatte eines Computers verwendet werden, zeigen diese Pole entweder nach oben oder nach unten und repräsentieren Nullen und Einsen – sogenannte Bits.

Graphen besteht jedoch nicht aus einem magnetischen Metall, sondern aus Kohlenstoff.

Deshalb haben die Wissenschaftler eine kreative Problemumgehung gefunden.

Dreischichtiges Graphen-Übergitter

Darstellung des dreischichtigen Graphen / Bornitrid-Moiré-Übergitters mit elektronischen und ferromagnetischen Eigenschaften. Bildnachweis: Guorui Chen / Berkeley Lab

Sie entwickelten ein ultradünnes Gerät mit einer Dicke von nur 1 Nanometer und drei Schichten aus atomar dünnem Graphen. Wenn sie zwischen 2D-Schichten aus Bornitrid angeordnet sind, bilden die Graphenschichten – in der Studie als dreischichtiges Graphen beschrieben – ein sich wiederholendes Muster, das als Moiré-Übergitter bezeichnet wird.

Durch Anlegen elektrischer Spannungen durch die Tore des Graphengeräts ließ die Kraft der Elektrizität die Elektronen im Gerät in die gleiche Richtung kreisen, wie bei winzigen Autos, die um eine Strecke rasen. Dies erzeugte einen starken Impuls, der die Graphenvorrichtung in ein ferromagnetisches System umwandelte.

Weitere Messungen ergaben erstaunliche neue Eigenschaften: Das Innere des Graphensystems war nicht nur magnetisch, sondern auch isolierend geworden. und trotz des Magnetismus verwandelten sich seine Außenkanten in Kanäle elektronischen Stroms, die sich ohne Widerstand bewegen. Solche Eigenschaften charakterisieren eine seltene Klasse von Isolatoren, die als Chern-Isolatoren bekannt sind, sagten die Forscher.

Doppelschichtiges dreischichtiges Graphen / Bornitrid-Geräteschema

Schema der doppelwandigen dreischichtigen Graphen / Bornitrid-Vorrichtung. Der Einschub zeigt das Moiré-Übergittermuster zwischen dem dreischichtigen Graphen und der unteren Bornitridschicht. Bildnachweis: Guorui Chen / Berkeley Lab

Noch überraschender war, dass Berechnungen des Co-Autors Ya-Hui Zhang vom Massachusetts Institute of Technology zeigten, dass das Graphen-Gerät nicht nur eine, sondern zwei leitende Kanten aufweist. Damit ist es der erste beobachtete „Chern-Isolator höherer Ordnung“, eine Folge von die starken Elektron-Elektron-Wechselwirkungen im dreischichtigen Graphen.

Wissenschaftler haben Chern-Isolatoren auf einem Forschungsgebiet verfolgt, das als Topologie bekannt ist und exotische Materiezustände untersucht. Chern-Isolatoren bieten potenzielle neue Möglichkeiten zur Manipulation von Informationen in einem Quantencomputer, in dem Daten in Quantenbits oder Qubits gespeichert sind. Ein Qubit kann eine Eins, eine Null oder einen Zustand darstellen, in dem es gleichzeitig eine Eins und eine Null ist.

“Unsere Entdeckung zeigt, dass Graphen eine ideale Plattform für das Studium verschiedener Physik ist, von der Einzelteilchenphysik über die Supraleitung bis hin zur topologischen Physik zur Untersuchung von Quantenphasen der Materie in 2D-Materialien”, sagte Chen. “Es ist aufregend, dass wir jetzt neue Physik in einem winzigen Gerät erforschen können, das nur 1 Millionstel Millimeter dick ist.”

Die Forscher hoffen, weitere Experimente mit ihrem Graphen-Gerät durchführen zu können, um besser zu verstehen, wie der Chern-Isolator / Magnet entstanden ist und welche Mechanismen hinter seinen ungewöhnlichen Eigenschaften stecken.

Referenz: “Abstimmbarer korrelierter Chern-Isolator und Ferromagnetismus in einem Moiré-Übergitter” von Guorui Chen, Aaron L. Sharpe, Eli J. Fox, Ya-Hui Zhang, Shaoxin Wang, Lili Jiang, Bosai Lyu, Hongyuan Li, Kenji Watanabe und Takashi Taniguchi , Zhiwen Shi, T. Senthil, David Goldhaber-Gordon, Yuanbo Zhang und Feng Wang, 4. März 2020, Natur.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2049-7

Forscher vom Berkeley Lab; UC Berkeley; Universität in Stanford; SLAC National Accelerator Laboratory; Massachusetts Institute of Technology; Chinas Shanghai Jiao Tong University, das Collaborative Innovation Center für fortgeschrittene Mikrostrukturen und die Fudan University; und Japans Nationales Institut für Materialwissenschaften nahmen an der Arbeit teil.

Diese Arbeit wurde vom Center for Novel Pathways to Quantum Coherence in Materials unterstützt, einem Energy Frontier Research Center, das vom US-Energieministerium, Office of Science, finanziert wird.