Altıgen petek desenine bağlı tek bir karbon atomu katmanından yapılmış olan grafenin yapısı basit ve görünüşte hassastır. 2004 yılında keşfinden bu yana, bilim insanları; grafenin aslında son derece güçlü olduğunu buldular. Grafen bir metal olmasa da, elektriği ultra yüksek hızlarda, çoğu metalden daha iyi iletir.
2018 yılında, Pablo Jarillo-Herrero ve Yuan Cao liderliğindeki MIT bilim insanları, iki yaprak grafeni hafifçe dengelenmiş bir “sihirli” açıyla birlikte istiflendiğinde, yeni “bükülmüş” grafen yapısının bir yalıtkan (malzemenin içinden akan veya paradoksal olarak, elektronların direnç olmadan uçmasına izin verebilen bir süperiletken) haline gelebileceğini keşfetti. Bu, “Twistronics” olarak bilinen yeni bir alanın, bükülmüş grafen ve diğer materyallerde elektronik davranışların araştırılmasına yardımcı olan anıtsal bir keşifti.
İlk çalışmada, araştırmacılar; Weizmann Bilim Enstitüsü’ndeki işbirlikçilerle birlikte, tüm bükülmüş grafen yapısını ilk kez, (tüm yapı boyunca) yerel bükülme açısındaki çok küçük varyasyonları görebilecek kadar iyi bir çözünürlükte görüntülediler ve haritaladılar.
Sonuçlar, yapı içerisinde grafen tabakaları arasındaki açının ortalama 1.1 derecelik ofsetten biraz uzaklaştığı bölgeleri ortaya çıkardı.
Ekip bu varyasyonları 0,002 derecelik çok yüksek açısal bir çözünürlükte tespit etti. Bu, bir elmanın bir milden ufka doğru açısını görebilmeye eşdeğerdir. Böylece araştırmacılar; daha dar açı değişimlerine sahip yapıların, daha geniş bir bükülme açısı aralığına sahip yapılara karşı yalıtım ve süper iletkenlik gibi daha belirgin egzotik özelliklere sahip olduklarını buldular.
İkinci çalışmada ekip, iki değil dört kat grafen içeren yeni bir bükülmüş grafen yapısı oluşturduğunu rapor etti. Yeni dört katmanlı sihirli açı yapısının, iki katmanlı selefine göre belirli elektrik ve manyetik alanlara daha duyarlı olduğunu gözlemlediler. Bu, araştırmacıların dört katmanlı sistemlerde sihirli açı grafeninin egzotik özelliklerini daha kolay ve kontrol edilebilir bir şekilde inceleyebileceğini düşündürmektedir.
Plastik sargıdaki kırışıklıklar gibi…
Jarillo-Herrero ve ekibi ilk kez “sihirli açılı grafeni“ keşfettikleri, diğer bilim insanları da bu keşfin yolunda özelliklerini gözlemleme ve ölçme şansını yakaladılar. Birçok ekip, tarama tünelleme mikroskopisini kullanarak sihirli açılı yapıları veya atomik seviyede bir yüzeyi tarayan bir teknik olan STM’yi görüntüledi. Bununla birlikte, araştırmacılar bu yaklaşımı kullanarak sadece birkaç yüz kare nanometreyi kapsayan küçük sihirli açı grafen yamalarını tarayabildiler.
Jarillo-Herrero: “Milyonlarca atoma bakmak için tüm mikron ölçekli bir yapının üzerinden geçmek STM’nin en uygun olmadığı bir şey… Prensipte yapılabilirdi, ama çok fazla zaman alacaktı.”
Bu yüzden ekip; SQUID’in Süper İletken Kuantum Girişim Cihazı anlamına geldiği “tarama nano-SQUID” adını verdikleri bir tarama tekniği geliştiren Weizmann Bilim Enstitüsü’ndeki araştırmacılara danıştı. Geleneksel SQUID’ler, iki yarısı süperiletken malzemeden yapılmış ve iki kavşakla birleştirilen küçük ikiye bölünmüş bir halkaya benzemektedir. STM’ye benzer bir cihazın ucu etrafına oturan SQUID; bir numunenin halkanın içinden akan manyetik alanını mikroskopik bir ölçekte ölçebilir. Weizmann Enstitüsü araştırmacıları SQUID tasarımını nano ölçekte manyetik alanları algılamak için ölçeklendirdiler.
Sihirli açılı grafen küçük bir manyetik alana yerleştirildiğinde; “Landau seviyeleri” olarak bilinen şeyin oluşumu nedeniyle yapı boyunca kalıcı akımlar üretir. Bu Landau seviyeleri ve dolayısıyla kalıcı akımlar, yerel büküm açısına çok duyarlıdır. Örneğin, yerel büküm açısının kesin değerine bağlı olarak farklı büyüklükte bir manyetik alan ile sonuçlanır. Bu şekilde, nano-SQUID tekniği 1.1 dereceden küçük ofsetleri olan bölgeleri tespit edebilir.
Ayarlanabilir Fizik
Geçtiğimiz iki yıl boyunca, araştırmacılar belirli açılardan bükülmenin egzotik fiziksel davranış getirip getirmeyeceğini görmek için farklı grafen ve diğer materyal konfigürasyonlarını denediler. Jarillo-Herrero’nun grubu, büyülü açı grafeninin büyüleyici fiziğinin, iki değil dört grafen katmanını dengelemek için yapıyı genişletmeleri durumunda dayanıp dayanamayacağını merak etti.
Grafenin yaklaşık 15 yıl önce keşfinden bu yana, özellikleri hakkında sadece tek bir sayfa olarak değil, aynı zamanda çoklu katmanlarda da istiflendi ve hizalandı.
Araştırmacı Jarillo-Herrero, “İki tabakalı grafen – birbirinden 0 derecelik açıyla iki katman – özelliklerini iyi anladığımız bir sistem… Teorik hesaplamalar, iki tabakalı iki tabakalı bir yapıda ilginç fiziğin olacağı açı aralığının daha geniş olduğunu göstermiştir. Dolayısıyla bu tür bir yapı, cihaz yapma açısından daha makul olabilir. ”
Bu teorik olasılıktan kısmen ilham alan araştırmacılar; bir grafen iki tabakasını başka bir iki tabakalı ile 1.1 derece dengeleyen yeni bir sihirli açı yapısı üretti. Daha sonra yeni “çift katmanlı” bükülmüş yapıyı bir bataryaya bağladılar, bir voltaj uyguladılar ve yapıyı manyetik alan ve dikey elektrik alanı gibi çeşitli koşullar altında yerleştirirken cihazdan geçen akımı ölçtüler.
Tıpkı iki grafen katmanından yapılan büyü açılı yapılar gibi, yeni dört katmanlı yapı da egzotik bir yalıtım davranışı gösterdi. Ancak, benzersiz bir şekilde, araştırmacılar bu yalıtım özelliğini bir elektrik alanla yukarı ve aşağı ayarlayabildiler. (Bu iki katmanlı sihirli açı grafeniyle mümkün olmayan bir şey…)
