Graphen verleiht 3D-Graphit verdrehte Kräfte

Das Übereinanderstapeln zweier leicht schräger Graphenschichten hat in den letzten Jahren zu phänomenaler Physik geführt – einschließlich einstellbarer Supraleitung, Quantengedächtnis und seltsamen neuen Materiezuständen mit „zusammengeballten“ Elektronenklumpen. Das merkwürdige Verhalten dieser Systeme zeigt sich bei einem „Verdrehungs“-Winkel zwischen dem sechseckigen Muster in den beiden Schichten von nur 1,1 Grad. Und da so viele neue physikalische Aspekte auftauchen, sind technologische Anwendungen des sogenannten verdrehten Doppelschicht-Graphens gerade erst im Entstehen begriffen, wobei mysteriöse thermische, optische, elektronische, materielle und andere Eigenschaften nur darauf warten, entwickelt zu werden.

Jetzt haben Wissenschaftler in den Vereinigten Staaten und im Vereinigten Königreich damit begonnen, die äußeren Grenzen dieser gestapelten 2D-Systeme zu erforschen: Was wäre, wenn nur eine der beiden Schichten dieser Doppelschichten ein Atom dick wäre? Wie viele Schichten können der Masse hinzugefügt werden, bis die Doppelschichtmagie verschwunden ist? Zur Überraschung dieser Forscher blieben einige der Doppelschichteigenschaften sogar im Inneren dicker, dreidimensionaler Graphitstapel bestehen.

Die seltsamen Verhaltensweisen, die jetzt bei Graphit plus Graphen zu beobachten sind, veranlassen Forscher dazu, die seit den 1970er Jahren beobachteten seltsamen Eigenschaften von einfachem Graphit erneut in Betracht zu ziehen.

„Eine Zeit lang galt allgemein: Wenn es sich um ein Metall mit vielen Schichten handelt, verhält es sich dreidimensional“, sagt Vladimir Falko, Professor für theoretische Physik an der Universität Manchester in England. „Es war ziemlich ungewöhnlich zu sehen, dass man in einem so dicken Graphitfilm das zweidimensionale Verhalten beobachten konnte.“

Um die Grenzen des Quantenverhaltens dünner Schichten zu verstehen, haben Forschungsteams der University of Washington und der University of Manchester jeweils zwei leicht unterschiedliche Aufbauten erstellt. Die Gruppe der University of Washington bedeckte einen dicken Graphitstapel mit einer einzelnen Graphenschicht, die in einem leichten Winkel gedreht war. Das Team der Universität Manchester verwendete einen ähnlichen Graphitstapel, überzog ihn jedoch stattdessen mit einer einzelnen Schicht des zweidimensionalen Schichtzustands von Bornitrid.

Beide Ansätze erzeugen die gleiche Struktur zwischen den beiden obersten Schichten ihres Stapels – ein sogenanntes Moiré-Übergitter. Man nennt es Übergitter, weil der nicht übereinstimmende Winkel zwischen den beiden Schichten dem System neue Arten von Moiré-ähnlichen Mustern hinzufügt. Bei einer oberen Schicht aus verdrilltem Graphen entsteht die Nichtübereinstimmung durch den Verdrehungswinkel zwischen den sechseckigen Zellen jeder Schicht, wohingegen bei einer oberen Schicht aus Bornitrid die Nichtübereinstimmung auf die leicht unterschiedlichen Gitterabstände des Bornitrids und des darunter liegenden Graphits zurückzuführen ist.

Wenn Moiré-Übergitter starken Magnetfeldern ausgesetzt werden, unterliegen sie aufgrund des stark vergrößerten Gitterabstands bemerkenswerten Veränderungen. In diesem Szenario kann nun ein deutlich größerer Magnetfluss eine einzelne Gitterplakette durchdringen und die ohnehin schon seltsamen Eigenschaften des Materials noch weiter verändern. Wenn das Feld erhöht wird, schwankt die Leitfähigkeit der Schicht periodisch, ein Phänomen, das als Brown-Zak-Oszillationen bekannt ist.

Die Forscher erwarteten nicht, dass ihre dicken Graphenstapel mit einer einzelnen Moiré-Übergitterschicht an der Oberseite solche Effekte zeigen würden. Phänomene wie oben beschrieben wurden schließlich nur mit einem Paar (oder einer kleinen Anordnung) von übereinander liegenden 2D-Blättern beobachtet. Ein 3D-Graphitbrocken war völliges Neuland. Und die Teams hatten allen Grund zu der Annahme, dass das seltsame Quantenverhalten im System einfach nicht zu sehen sein würde. Dennoch beobachteten die Forscher beim Optimieren ihrer Magnetfelder Schwankungen in der Leitfähigkeit des gesamten Stapels – charakteristische Brown-Zak-Oszillationen zweidimensionaler Moiré-Materialien.

„Wenn Sie 18 Graphitschichten haben und nur eine dieser Schichten um 1 Grad verdrehen, nehmen Sie keine wirklich große strukturelle Veränderung am Material vor“, sagt Matthew Yankowitz, der die Bemühungen der University of Washington leitete. „Aber der gesamte Graphitstapel verhält sich im Grunde wie ein Moiré-Material, obwohl es sich um ein dreidimensionales Material handelt. Das ist meiner Meinung nach eine abgefahrene neue Erkenntnis.“

Während die in zweidimensionalen Moiré-Übergittern beobachteten supraleitenden Eigenschaften und starken Elektronenkorrelationen im dreidimensionalen Volumenmaterial nicht bestehen bleiben, deuten die von den Teams beobachteten Brown-Zak-Oszillationen darauf hin, dass die bizarren Eigenschaften der 2D-Systeme sogar in dickem Graphit übernommen werden können Stapel. Es könnte einen Weg geben, diese faszinierenderen Eigenschaften wieder in Massenmaterialien einzuführen, sagt Yankowitz.

Darüber hinaus könnte das Fortbestehen bestimmter 2D-Verhaltensweisen in solchen dickeren Strukturen einige seltsame Verhaltensweisen von Graphit erklären, die bereits in den 1970er Jahren beobachtet wurden. „Das Verhalten von Graphit in einem sehr starken Magnetfeld war lange Zeit ein Rätsel“, sagt Allan MacDonald, ein Physiker an der University of Texas in Austin, der nicht an der Arbeit beteiligt war. „Und diese neuen Papiere könnten einen neuen Ansatz für den Versuch geben, zu verstehen, was vor sich geht.“

Laut Yankowitz eröffnet dies einen neuen Forschungsweg zur Untersuchung hybriddimensionaler Materialien. „Wohin dies im Moment führen wird, ist unklar, aber es ist die Grundlage für das Verständnis dieser neuen Arten von hybriden 2D-3D-Systemen“, sagt er.

Die beiden Forscherteams veröffentlichten ihre Ergebnisse zu Graphen-auf-Graphit und Bornitrid-auf-Graphit im Juli in zwei Artikeln in der Zeitschrift Nature.