MIT-fysiker och kollegor har skapat en femfilig motorväg för elektroner som kan möjliggöra ultraeffektiv elektronik med mera. Arbetet, som rapporteras i Science den 9 maj, är en av flera viktiga upptäckter som samma team har gjort under det senaste året med ett material som i princip är en unik form av blyerts.
”Den här upptäckten har direkta konsekvenser för elektroniska enheter med låg effekt eftersom ingen energi går förlorad under elektronernas spridning, vilket inte är fallet i vanliga material där elektronerna sprids”, säger Long Ju, biträdande professor vid MIT:s fysikinstitution och motsvarande författare till artikeln.
Fenomenet kan liknas vid bilar som färdas längs en öppen motorväg i motsats till dem som färdas genom ett bostadsområde. Bilar som kör genom bostadsområden kan stoppas eller saktas ned av andra förare som gör plötsliga stopp eller U-svängar som stör en annars smidig pendling.
Ett nytt material
Materialet bakom detta arbete, som kallas rhombohedral pentalayer graphene, upptäcktes för två år sedan av fysiker under ledning av Ju. ”Vi hittade en guldgruva, och varje skopa avslöjar något nytt”, säger Ju, som också är knuten till MIT:s Materials Research Laboratory.
I en artikel i Nature Nanotechnology i oktober förra året rapporterade Ju och hans kollegor om upptäckten av tre viktiga egenskaper hos rombohedral grafen. De visade t.ex. att materialet kan vara topologiskt, dvs. tillåta obehindrad rörelse av elektroner runt kanten av materialet men inte genom mitten. Det resulterade i en motorväg, men krävde att man använde ett stort magnetfält som var tiotusentals gånger starkare än jordens magnetfält.
I det aktuella arbetet rapporterar teamet att de skapat motorvägen utan något magnetfält.
Tonghang Han, som är doktorand i fysik vid MIT, är en av de första författarna till artikeln. ”Vi är inte de första att upptäcka detta generella fenomen, men vi gjorde det i ett helt annat system. Och jämfört med tidigare system är vårt enklare och har dessutom stöd för fler elektronkanaler”, förklarar Ju. ”Andra material klarar bara en fil för trafik på kanten av materialet. Vi kunde plötsligt öka det till fem.”
Ytterligare medförfattare till artikeln, som bidragit lika mycket till arbetet, är Zhengguang Lu och Yuxuan Yao. Lu är postdoktoral medarbetare vid Materials Research Laboratory. Yao utförde arbetet som gäststudent från Tsinghua University. Övriga författare är Liang Fu, professor i fysik vid MIT; Jixiang Yang och Junseok Seo, båda doktorander i fysik vid MIT; Chiho Yoon och Fan Zhang vid University of Texas i Dallas; samt Kenji Watanabe och Takashi Taniguchi vid National Institute for Materials Science i Japan.
MIT:s fysiker har skapat en femfilig motorväg för elektroner. Här är sex av forskarna i labbet. De är, från vänster till höger, doktoranderna Jixiang Yang, Junseok Seo och Tonghang Han; gäststudenten Yuxuan Yao; biträdande professor Long Ju och postdoktor Zhengguang Lu. Kredit: Shenyong Ye, MIT
Hur det fungerar
Blyertsblyerts, eller grafit, består av grafen, ett enda lager av kolatomer som är ordnade i hexagoner som liknar en bikakestruktur. Rhombohedral grafen består av fem lager grafen som är staplade i en specifik överlappande ordning.
Ju och hans kollegor isolerade rhombohedral grafen tack vare ett nytt mikroskop som Ju byggde vid MIT 2021 och som snabbt och relativt billigt kan bestämma en mängd viktiga egenskaper hos ett material på nanoskalan. Pentalayer rhombohedral staplad grafen är bara några miljarddelar av en meter tjock.
I det aktuella arbetet har teamet mixtrat med det ursprungliga systemet och lagt till ett lager av volframdisulfid (WS2). ”Samspelet mellan WS2 och det rhomboedriska grafenet i pentalagret resulterade i denna femfiliga motorväg som fungerar vid noll magnetfält”, säger Ju.
Jämförelse med supraledning
Det fenomen som Ju-gruppen upptäckte i rhomboedrisk grafen och som gör att elektroner kan färdas utan motstånd vid noll magnetfält kallas den kvantanomala Halleffekten. De flesta är mer bekanta med supraledning, ett helt annat fenomen som gör samma sak men som sker i helt andra material.
Ju konstaterar att även om supraledare upptäcktes på 1910-talet, så tog det cirka 100 år av forskning att få systemet att fungera vid de högre temperaturer som krävs för tillämpningar. ”Och världsrekordet ligger fortfarande en bra bit under rumstemperatur”, säger han.
På samma sätt fungerar den rhomboedriska grafenmotorvägen för närvarande vid cirka 2 Kelvin, eller -456 Fahrenheit. ”Det kommer att krävas stora ansträngningar för att höja temperaturen, men som fysiker är det vårt jobb att ge insikter; ett annat sätt att förverkliga detta [fenomen]”, säger Ju.
Upptäckterna med rombohedral grafen var resultatet av en noggrann forskning som inte garanterat skulle fungera. ”Vi provade många recept under många månader”, säger Han, ”så det var väldigt spännande när vi kylde ner systemet till en mycket låg temperatur och [en femfilig motorväg som fungerar vid noll magnetfält] bara dök upp.”
Ju säger: ”Det är väldigt spännande att vara först med att upptäcka ett fenomen i ett nytt system, särskilt i ett material som vi har upptäckt.”
Ytterligare information: Tonghang Han et al, Large quantum anomalous Hall effect in spin-orbit proximitized rhombohedral graphene, Science (2024). DOI: 10.1126/science.adk9749
