Исследователи из Национального института графена (NGI) при Манчестерском университете вновь обратились к одному из самых древних материалов на Земле — графиту — и открыли новую физику, которая десятилетиями ускользала от внимания специалистов в этой области.
Несмотря на то, что природный графит полностью состоит из слоев атомов углерода, расположенных в виде сот, он не так прост, как можно подумать. Способ, которым эти атомарные слои накладываются друг на друга, может привести к получению различных типов графита, характеризующихся различным порядком укладки последовательных атомных плоскостей.
Большинство природного графита имеет шестиугольную структуру, что делает его одним из самых «обычных» материалов на Земле. Структура кристалла графита представляет собой повторяющийся узор. Этот паттерн нарушается на поверхности кристалла и приводит к так называемым «поверхностным состояниям», которые подобны волнам, которые медленно затухают по мере того, как вы углубляетесь в кристалл. Но то, как можно настраивать поверхностные состояния графита, еще не было до конца понято.
Технология Ван-дер-Ваальса и твистроника (укладка двух двумерных кристаллов под углом скручивания для значительной настройки свойств результирующей структуры из-за муарового узора, образующегося на их границе раздела) являются двумя ведущими областями в исследованиях двумерных материалов. Теперь команда исследователей NGI, возглавляемая профессором Дж. Артем Мищенко использует муаровый узор для настройки состояния поверхности графита, напоминающий калейдоскоп с постоянно меняющимися картинками при вращении объектива, раскрывая необычную новую физику, лежащую в основе графита.
В частности, проф. Мищенко применил метод твистроники к трехмерному графиту и обнаружил, что муаровый потенциал не только изменяет поверхностные состояния графита, но и влияет на электронный спектр всего объема кристалла графита. Совсем как в известной истории о принцессе на горошине, принцесса почувствовала горошину прямо сквозь двадцать матрасов и двадцать кроватей с гусиным пухом. В случае графита муаровый потенциал на выровненной границе раздела может проникать через более чем 40 атомарных графитовых слоев.
В этом исследовании, опубликованном в последнем номере журнала Nature, изучалось влияние муаровых узоров на объемный гексагональный графит, полученный путем кристаллографического выравнивания с помощью гексагонального нитрида бора. Наиболее захватывающим результатом является наблюдение 2,5-мерного смешения поверхностного и объемного состояний в графите, которое проявляется в новом типе фрактального квантового эффекта Холла — 2,5-мерной бабочке Хофштадтера.
Профессор Артем Мищенко из Манчестерского университета, который уже обнаружил 2,5-мерный квантовый эффект Холла в графите, сказал: «Графит дал начало знаменитому графену, но люди обычно не интересуются этим «старым» материалом. И теперь, даже с учетом наших накопленных за последние годы знаний о графите с различным порядком укладки и выравнивания, мы по—прежнему считаем графит очень привлекательной системой — так много еще предстоит изучить».
Кьяран Муллан, один из ведущих авторов статьи, добавил: «Наша работа открывает новые возможности для управления электронными свойствами с помощью twistronics не только в 2D, но и в 3D материалах».
Профессор Владимир Фалько, директор Национального института графена и физик—теоретик факультета физики и астрономии, добавил: «Необычный 2,5-мерный квантовый эффект Холла в графите возникает как взаимодействие между двумя явлениями из учебников квантовой физики — квантованием Ландау в сильных магнитных полях и квантовым ограничением, приводящим к еще одному новому типу о квантовом эффекте.»
Та же команда сейчас продолжает исследования графита, чтобы лучше понять этот удивительно интересный материал.
фото: Graphite Butterfly. Credit: Prof. Jun Yin (co-author of the paper). / Графитовая бабочка. Автор: проф. Цзюнь Инь (соавтор статьи).
More information: Ciaran Mullan et al, Mixing of moiré-surface and bulk states in graphite, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06264-5
Journal information: Nature
Provided by University of Manchester