พัลส์ไฟฟ้าสั้นจะเปิดและปิดตัวนำยิ่งยวดในกราฟีนมุมมหัศจรรย์

ตัวนำยิ่งยวดสามารถเปิดและปิดได้ในกราฟีน "มุมมหัศจรรย์" โดยใช้พัลส์ไฟฟ้าสั้น ๆ ตามผลงานใหม่ของนักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) จนถึงขณะนี้ การเปลี่ยนดังกล่าวสามารถทำได้โดยการกวาดสนามไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องทั่วทั้งวัสดุเท่านั้น การค้นพบใหม่นี้สามารถช่วยในการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีตัวนำยิ่งยวดแบบใหม่ เช่น องค์ประกอบหน่วยความจำสำหรับใช้ในวงจรที่ใช้วัสดุแบบสองมิติ (2D)

กราฟีนเป็นผลึก 2 มิติของอะตอมคาร์บอนที่จัดเรียงในรูปแบบรังผึ้ง แม้แต่ตัวของมันเอง สิ่งที่เรียกว่า "วัสดุมหัศจรรย์" นี้มีคุณสมบัติพิเศษมากมาย รวมถึงการนำไฟฟ้าสูงเมื่อพาหะประจุ (อิเล็กตรอนและรู) ซูมผ่านโครงตาข่ายคาร์บอนด้วยความเร็วสูงมาก

ในปี 2018 นักวิจัยนำโดย ปาโบล จาริลโล-เอร์เรโร ของ MIT พบว่าเมื่อสองแผ่นดังกล่าววางซ้อนทับกันโดยมีมุมเยื้องกันเล็กน้อย สิ่งต่างๆ ก็ยิ่งน่าหลงใหลมากขึ้นไปอีก ในการกำหนดค่า bilayer แบบบิดนี้ แผ่นจะสร้างโครงสร้างที่เรียกว่า moiré superlattice และเมื่อมุมบิดระหว่างทั้งสองถึง "มุมมหัศจรรย์" (ที่คาดการณ์ในทางทฤษฎี) ที่ 1.08° วัสดุจะเริ่มแสดงคุณสมบัติต่างๆ เช่น ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำ – นั่นคือ นำไฟฟ้าได้โดยไม่มีความต้านทานใดๆ

ที่มุมนี้ วิธีที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในแผ่นคู่ทั้งสองจะเปลี่ยนไปเพราะพวกมันถูกบังคับให้รวมตัวกันด้วยพลังงานที่เท่ากัน สิ่งนี้นำไปสู่แถบอิเล็กทรอนิกส์ "แบน" ซึ่งสถานะของอิเล็กตรอนมีพลังงานเท่ากันแม้จะมีความเร็วต่างกันก็ตาม โครงสร้างแถบแบนนี้ทำให้อิเล็กตรอนไม่มีการกระจายตัว นั่นคือ พลังงานจลน์ของพวกมันจะถูกระงับอย่างสมบูรณ์ และพวกมันไม่สามารถเคลื่อนที่ในตาข่ายมัวเรได้ ผลที่ได้คืออนุภาคช้าลงจนเกือบหยุดและถูกแปลเป็นภาษาท้องถิ่นที่ตำแหน่งเฉพาะตามแผ่นประกบ สิ่งนี้ทำให้พวกมันมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันอย่างมาก ก่อตัวเป็นคู่ที่เป็นจุดเด่นของตัวนำยิ่งยวด

ทีมงาน MIT ได้ค้นพบวิธีใหม่ในการควบคุมกราฟีนมุมมหัศจรรย์โดยให้ความสนใจกับการจัดตำแหน่งเมื่อประกบระหว่างโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยมสองชั้น (hBN, ฉนวน 2 มิติ) นักวิจัยจัดแนวชั้นแรกของ hBN ให้ตรงกับแผ่นกราฟีนด้านบน ในขณะที่ชั้นที่สองถูกหักล้างด้วยมุม 30° เมื่อเทียบกับแผ่นกราฟีนด้านล่าง ด้วยการจัดเรียงนี้ พวกเขาสามารถสร้างพฤติกรรมแบบ bistable ซึ่งวัสดุสามารถอยู่ในหนึ่งในสองสถานะทางอิเล็กทรอนิกส์ที่เสถียร ทำให้สามารถเปิดหรือปิดตัวนำยิ่งยวดได้ด้วยพัลส์ไฟฟ้าสั้นๆ

“น่าประหลาดใจที่ความสามารถนี้อยู่ร่วมกันได้โดยไม่รบกวนพฤติกรรมของกราฟีนมุมมหัศจรรย์” ผู้เขียนหลักอธิบาย ดอกรัก ไคลน์. “ระบบนี้เป็นตัวอย่างที่หาได้ยากของสวิตช์แบบแยกเพื่อเปิดและปิดตัวนำยิ่งยวดด้วยพัลส์ไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว ซึ่งช่วยให้สามารถใช้เป็นอุปกรณ์หน่วยความจำตัวนำยิ่งยวดแบบไม่ลบเลือนได้”

กราฟีนมุมมหัศจรรย์เปลี่ยนจากตัวนำยิ่งยวดเป็นเฟอร์โรแม่เหล็ก

องค์ประกอบหน่วยความจำดังกล่าวสามารถรวมเข้ากับวงจรวัสดุ 2 มิติในอนาคตได้ เธอกล่าวเสริม

ในขณะที่นักวิจัยไม่แน่ใจว่าอะไรทำให้เกิดตัวนำยิ่งยวดแบบสลับได้นี้ พวกเขาสงสัยว่ามันเกี่ยวข้องกับการจัดตำแหน่งพิเศษของกราฟีนที่บิดเป็นเกลียวกับชั้น hBN ทั้งสองชั้น ทีมงานได้เห็นความเสถียรที่คล้ายกันมาก่อนในกราฟีน bilayer ที่ไม่บิดซึ่งสอดคล้องกับชั้น hBN ที่ประกบกัน ดังนั้นจึงหวังว่าจะไขปริศนานี้ได้ในงานในอนาคต “มีความพยายามอย่างต่อเนื่องระหว่างนักทดลองและนักทฤษฎีเพื่อระบุว่าการจัดแนว hBN-graphene เหล่านี้ก่อให้เกิดพฤติกรรมที่ไม่คาดคิดที่เราสังเกตเห็นได้อย่างไร” Klein กล่าว โลกฟิสิกส์.

รายละเอียดงานใน นาโนเทคโนโลยีธรรมชาติ.

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• เพลโตบล็อคเชน Web3 Metaverse ข่าวกรอง ขยายความรู้. เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://physicsworld.com/a/short-electrical-pulses-switch-superconductivity-on-and-off-in-magic-angle-graphene/