Физики из Массачусетского технологического института (MIT) и их коллеги создали пятиканальную супермагистраль для электронов, которая может стать основой для высокоэффективной электроники и других приложений. Эта работа, недавно опубликованная в журнале Science, является частью серии важных открытий, сделанных той же группой за последний год в исследовании уникальной формы графена.
Это явление можно сравнить с движением автомобилей по широкой скоростной магистрали, в отличие от узких городских улиц, где транспорт замедляется из-за частых остановок и поворотов.
Материал, используемый в этом исследовании, известен как ромбоэдрический пятислойный графен и был открыт два года назад под руководством профессора Цзюй. В октябре прошлого года в журнале Nature Nanotechnology Цзюй и его коллеги описали три важных свойства ромбоэдрического графена. Одно из них — возможность топологического движения электронов по краю материала без прохождения через его середину, что создает супермагистраль, но требует сильного магнитного поля, значительно превышающего магнитное поле Земли. В новой работе команда добилась создания супермагистрали без использования магнитного поля.
Один из ведущих авторов статьи, аспирант MIT по физике Тонханг Хан, поясняет:
Мы не первые, кто обнаружил это явление, но сделали это в новой системе. Наша система проще и поддерживает больше каналов для движения электронов. Другие материалы позволяют только один канал по краю. Мы увеличили их количество до пяти.
Соавторами статьи являются Чжэнгуан Лу, постдок в Лаборатории исследования материалов MIT, и Юйсюань Яо, приглашенный студент из Университета Цинхуа. Среди других авторов — профессор физики MIT Лян Фу, аспиранты MIT Цзисян Ян и Джунсок Со, Чихо Юн и Фань Чжан из Техасского университета в Далласе, а также Кендзи Ватанабэ и Такаши Танигучи из Национального института материаловедения Японии.
Графит, основной компонент карандашного грифеля, состоит из множества слоев графена — одноатомных слоев углерода, расположенных в шестиугольниках. Ромбоэдрический графен состоит из пяти таких слоев, уложенных в определенном порядке.
Цзюй и его коллеги выделили ромбоэдрический графен благодаря новому микроскопу, построенному Цзюй в MIT в 2021 году, который быстро и недорого определяет важные характеристики материала на наноуровне. Пятислойный ромбоэдрический графен имеет толщину всего несколько миллиардных долей метра. В новой работе команда добавила слой дисульфида вольфрама (WS2) к исходной системе.
Явление, открытое группой Цзюй в ромбоэдрическом графене, известное как квантовый аномальный эффект Холла, позволяет электронам двигаться без сопротивления при нулевом магнитном поле. Для большинства людей более знакома сверхпроводимость — другое явление, которое также позволяет электронам двигаться без сопротивления, но в других материалах.
Цзюй отмечает, что хотя сверхпроводимость была открыта в 1910-х годах, потребовалось около 100 лет исследований, чтобы заставить эту систему работать при более высоких температурах, необходимых для практических приложений. Точно так же ромбоэдрическая графеновая супермагистраль работает при температуре около 2 кельвинов (-456 градусов по Фаренгейту).