[Phần mềm di động: BoKeYuan] Graphene được tạo thành từ một lớp nguyên tử carbon được kết nối theo mô hình tổ ong hình lục giác. Nó có cấu trúc đơn giản và trông rất tinh tế. Kể từ khi được phát hiện vào năm 2004, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng graphene thực sự rất bền. Mặc dù graphene không phải là kim loại, nhưng độ dẫn điện cực cao của nó lại tốt hơn hầu hết các kim loại. Năm 2018, các nhà khoa học MIT do Cao Yuan (một học giả người Trung Quốc và là nghiên cứu sinh tiến sĩ của MIT (tôi tin rằng mọi người đều đã quen thuộc với tên của Cao Yuan, vì vậy tôi sẽ không nhắc lại ở đây tại Vườn Boke, chúng ta sẽ tập trung vào các kết quả nghiên cứu mới)) và Pablo Jarillo-Herrero đã phát hiện ra rằng:
Khi hai tấm graphene được xếp chồng lên nhau theo một "góc ma thuật" hơi lệch nhau, cấu trúc graphene hai lớp "xoắn" mới này có thể trở thành chất cách điện, hoàn toàn ngăn chặn điện chạy qua vật liệu, hoặc trở thành chất siêu dẫn, cho phép electron chạy qua mà không có bất kỳ lực cản nào. Đây là một khám phá mang tính đột phá giúp khởi động một lĩnh vực mới gọi là twistronics, nghiên cứu về hành vi của các electron trong graphene hai lớp xoắn và các vật liệu khác. Hiện nay, các nhà khoa học bao gồm Yuan Cao của MIT đã công bố hai bài báo nghiên cứu mới trên tạp chí Nature, báo cáo về những đột phá và tiến bộ mới nhất của họ trong lĩnh vực điện tử hai chiều graphene.
Nghiên cứu đầu tiên của Cao Nguyên và cộng sự.
Các nhà nghiên cứu MIT bao gồm Yuan Cao, cùng với các cộng sự tại Viện Khoa học Weizmann, lần đầu tiên chụp ảnh và lập bản đồ toàn bộ cấu trúc graphene xoắn với độ phân giải đủ tốt để thấy những thay đổi nhỏ trong góc xoắn cục bộ trên toàn bộ cấu trúc. Kết quả cho thấy bên trong cấu trúc, "góc ma thuật" giữa các lớp graphene lệch nhẹ so với vùng trung bình là 1,1 độ. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra những thay đổi này ở độ phân giải góc cực cao là 0,002 độ, tương đương với việc có thể nhìn thấy góc của một quả táo so với đường chân trời từ khoảng cách một dặm.
Nghiên cứu phát hiện ra rằng so với các cấu trúc có phạm vi góc xoắn rộng hơn, các cấu trúc có phạm vi thay đổi góc hẹp hơn có các đặc tính kỳ lạ rõ ràng hơn, chẳng hạn như khả năng cách điện và siêu dẫn. Jarillo-Herrero, Giáo sư Vật lý Cecil và Ida Green tại MIT, cho biết: "Đây là lần đầu tiên toàn bộ một thiết bị được lập bản đồ để hiểu góc xoắn ở một khu vực nhất định của thiết bị". "Chúng tôi phát hiện ra rằng bạn có thể có một chút thay đổi và vẫn thể hiện tính siêu dẫn và các hiện tượng vật lý kỳ lạ khác, nhưng không quá nhiều, và hiện tại chúng tôi đã xác định được mức độ thay đổi độ xoắn mà bạn có thể có và những hiệu ứng suy biến sẽ như thế nào khi có quá nhiều."
Nghiên cứu thứ hai của Cao Nguyên và cộng sự.
Các nhà nghiên cứu bao gồm Cao Yuan đã tạo ra một cấu trúc graphene xoắn mới với bốn lớp graphene thay vì hai lớp. Nghiên cứu quan sát thấy cấu trúc "góc ma thuật" bốn lớp mới nhạy cảm hơn với một số trường điện và từ so với cấu trúc hai lớp trước đó. Điều này cho thấy các nhà nghiên cứu có thể dễ dàng và kiểm soát hơn trong việc nghiên cứu các tính chất kỳ lạ của graphene "góc ma thuật" trong hệ thống bốn lớp. Học giả Trung Quốc và nghiên cứu sinh tiến sĩ tại MIT Cao Yuan cho biết: Mục đích của hai nghiên cứu này là để hiểu rõ hơn về hành vi vật lý khó hiểu của các thiết bị điện tử kép "góc ma thuật".
Một khi đã hiểu rõ, các nhà vật lý tin rằng những thiết bị này có thể giúp thiết kế và chế tạo thế hệ siêu dẫn nhiệt độ cao mới, các thiết bị tôpô để xử lý thông tin lượng tử và các công nghệ năng lượng thấp. Kể từ khi Cao Nguyên và nhóm của ông lần đầu tiên phát hiện ra graphene góc ma thuật, các nhà khoa học đã nắm bắt cơ hội để quan sát và đo lường các tính chất của nó. Một số nhóm nghiên cứu đã chụp ảnh cấu trúc "góc ma thuật" của graphene bằng kính hiển vi quét đường hầm (STM), một kỹ thuật quét bề mặt ở cấp độ nguyên tử.
Giống như nếp nhăn trên màng bọc nhựa
Tuy nhiên, khi sử dụng phương pháp này, các nhà nghiên cứu chỉ có thể quét những vùng nhỏ của graphene "góc ma thuật", nhiều nhất là vài trăm nanomet vuông. Pablo Jarillo-Herrero, đồng tác giả của Cao tại MIT, cho biết: "Sử dụng toàn bộ cấu trúc ở quy mô micrômet để quan sát hàng triệu nguyên tử không phải là chức năng phù hợp nhất của kính hiển vi quét đường hầm". "Về mặt lý thuyết thì có thể thực hiện được điều này, nhưng mất rất nhiều thời gian." Vì vậy, nhóm MIT đã tham khảo ý kiến của các nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học Weizmann, những người đã phát triển một kỹ thuật quét mà họ gọi là "quét nano-SQUID", trong đó SQUID là viết tắt của thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn.
Một thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn thông thường trông giống như một chiếc nhẫn nhỏ bị chia đôi, với hai nửa được làm bằng vật liệu siêu dẫn và được kết nối bằng hai mối nối. Được gắn trên đầu của một thiết bị tương tự như kính hiển vi quét đường hầm (STM), SQUID có thể đo các trường từ chạy qua mẫu vòng ở quy mô cực nhỏ, nhưng các nhà nghiên cứu của Viện Weizmann đã thu nhỏ thiết kế SQUID để cảm nhận các trường từ ở quy mô nano. Khi graphene "góc ma thuật" được đặt trong một từ trường nhỏ, nó sẽ tạo ra dòng điện liên tục trong cấu trúc do sự hình thành cái gọi là "mức Landau".
Ví dụ, các mức Landau và dòng điện liên tục này rất nhạy cảm với góc xoắn cục bộ, tạo ra các từ trường có độ lớn khác nhau tùy thuộc vào giá trị chính xác của góc xoắn cục bộ. Theo cách này, công nghệ nano-SQUID có thể phát hiện những khu vực có độ dịch chuyển nhỏ tới 1,1 độ. Pablo Jarillo-Herrero, đồng tác giả của Cao tại MIT, cho biết: "Hóa ra đây là một kỹ thuật tuyệt vời có thể ghi lại những thay đổi góc nhỏ dưới 0,002 độ từ 1,1 độ, rất phù hợp để lập bản đồ 'góc ma thuật' của graphene". Nhóm nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật này để lập bản đồ hai loại cấu trúc "góc ma thuật": một loại có phạm vi biến thiên xoắn nhỏ hơn và một loại có phạm vi biến thiên xoắn lớn hơn.
Nghiên cứu này đặt hai tấm graphene lên trên một tấm khác, tương tự như việc đặt một lớp màng bọc thực phẩm lên trên một lớp màng bọc thực phẩm, và bạn sẽ thấy có những nếp nhăn, một số lớp sẽ hơi xoắn, một số thì không quá xoắn, giống như những gì các nhà nghiên cứu thấy ở graphene. Nghiên cứu phát hiện ra rằng so với các cấu trúc có nhiều biến thể xoắn hơn, các cấu trúc có phạm vi biến thể xoắn hẹp có các tính chất vật lý kỳ lạ rõ ràng hơn, chẳng hạn như siêu dẫn. "Bây giờ chúng ta có thể trực tiếp quan sát những thay đổi xoắn cục bộ này, sẽ rất thú vị khi nghiên cứu cách thiết kế những thay đổi về góc xoắn để đạt được các pha lượng tử khác nhau trong thiết bị", học giả Trung Quốc và nghiên cứu sinh tiến sĩ tại MIT Yuan Cao cho biết.
Vật lý có thể điều chỉnh
Trong hai năm qua, Cao và các nhà nghiên cứu khác đã thử nghiệm nhiều cặp graphene và các vật liệu khác nhau để xem liệu việc xoắn chúng ở các góc cụ thể có dẫn đến các hành vi vật lý kỳ lạ hay không và liệu tính chất vật lý hấp dẫn của graphene "góc ma thuật" có tồn tại hay không nếu cấu trúc được mở rộng để bù đắp không phải hai mà là bốn lớp graphene. Kể từ khi graphene được phát hiện cách đây gần 15 năm, rất nhiều thông tin đã được tiết lộ về các đặc tính của nó, không chỉ khi ở dạng màng mỏng mà còn khi xếp chồng và sắp xếp thành nhiều lớp (tức là có cấu trúc tương tự như trong than chì hoặc ruột bút chì).
Graphene hai lớp (hai lớp tạo thành góc 0 độ với nhau) là một hệ thống mà các tính chất hiện đã được các nhà nghiên cứu hiểu rõ, và các tính toán lý thuyết đã chỉ ra rằng trong các cấu trúc có hai lớp chồng lên nhau, hiện tượng vật lý thú vị xảy ra ở phạm vi góc lớn hơn nhiều. Do đó, loại cấu trúc này có thể phù hợp hơn về mặt thiết bị sản xuất. Một phần lấy cảm hứng từ khả năng lý thuyết này, các nhà nghiên cứu đã chế tạo ra một cấu trúc góc ma thuật mới bằng cách bù trừ một lớp graphene kép 1,1 độ so với lớp kia. Sau đó, họ kết nối cấu trúc xoắn "hai lớp" mới này với một cục pin, áp điện và đo dòng điện chạy qua khi họ đặt cấu trúc này trong nhiều điều kiện khác nhau, chẳng hạn như từ trường và điện trường vuông góc.
Giống như cấu trúc "góc ma thuật" được tạo thành từ hai lớp graphene, cấu trúc graphene bốn lớp mới này có đặc tính cách điện kỳ lạ. Nhưng đặc biệt hơn, các nhà nghiên cứu có thể điều chỉnh lớp cách điện này lên xuống bằng cách sử dụng trường điện, điều mà graphene góc ma thuật hai lớp không thể làm được. Học giả Trung Quốc và nghiên cứu sinh tiến sĩ tại MIT Cao Yuan cho biết: Hệ thống này có khả năng điều chỉnh cao, nghĩa là chúng ta có nhiều "khả năng kiểm soát", cho phép chúng ta nghiên cứu những thứ không thể hiểu được chỉ bằng một lớp graphene "góc ma thuật". Hiện tại, lĩnh vực này vẫn còn quá mới mẻ và cộng đồng vật lý vẫn còn bị mê hoặc bởi hiện tượng này.
Công viên Boco | Nghiên cứu/Từ: Viện Công nghệ Massachusetts
