นักฟิสิกส์ค้นพบ “ตระกูล” ของโครงสร้างกราฟีนที่แข็งแกร่งและเป็นตัวนำยิ่งยวด

เมื่อพูดถึงกราฟีน ดูเหมือนว่าตัวนำยิ่งยวดจะทำงานในครอบครัว

กราฟีนเป็นวัสดุที่บางเพียงอะตอมเดียวที่สามารถลอกออกได้จากกราไฟท์ชนิดเดียวกับที่พบในไส้ดินสอ

วัสดุบางเฉียบทำมาจากอะตอมของคาร์บอนทั้งหมดที่ถูกจัดเรียงในรูปแบบหกเหลี่ยมที่เรียบง่าย คล้ายกับลวดไก่ นับตั้งแต่การแยกตัวออกมาในปี 2547 พบว่ากราฟีนมีคุณสมบัติที่โดดเด่นมากมายในรูปแบบชั้นเดียว

ในปีพ.ศ. 2561 นักวิจัยของ MIT พบว่าหากชั้นกราฟีนสองชั้นซ้อนกันในมุม “มหัศจรรย์” ที่เฉพาะเจาะจงมาก โครงสร้างไบเลเยอร์แบบบิดเกลียวอาจแสดงความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่แข็งแกร่ง ซึ่งเป็นสถานะวัสดุที่เป็นที่ต้องการอย่างกว้างขวาง โดยที่กระแสไฟฟ้าสามารถไหลผ่านได้โดยไม่มีการสูญเสียพลังงานเป็นศูนย์ เมื่อเร็ว ๆ นี้ กลุ่มเดียวกันพบว่ามีสถานะตัวนำยิ่งยวดที่คล้ายกันในกราฟีนสามชั้นที่บิดเบี้ยว ซึ่งเป็นโครงสร้างที่สร้างจากกราฟีนสามชั้นที่ซ้อนกันในมุมมายากลที่แม่นยำและใหม่

ตอนนี้ทีมงานรายงานว่า — คุณเดาได้ — สี่และห้าชั้นกราฟีนสามารถบิดและวางซ้อนกันในมุมมหัศจรรย์ใหม่เพื่อกระตุ้นตัวนำยิ่งยวดที่แข็งแกร่งที่อุณหภูมิต่ำ การค้นพบล่าสุดนี้ ซึ่งเผยแพร่ในสัปดาห์นี้ในNature Materialsได้กำหนดโครงร่างต่างๆ ของกราฟีนที่บิดเป็นเกลียวและซ้อนกันเป็น “ตระกูล” แรกที่รู้จักของตัวนำยิ่งยวดมุมมายากลหลายชั้น ทีมงานยังได้ระบุความเหมือนและความแตกต่างระหว่างสมาชิกในครอบครัวกราฟีน

ผลการวิจัยสามารถใช้เป็นพิมพ์เขียวสำหรับการออกแบบตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้องในทางปฏิบัติ หากคุณสมบัติของสมาชิกในครอบครัวสามารถทำซ้ำในวัสดุอื่น ๆ ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าตามธรรมชาติได้ ตัวอย่างเช่น สามารถนำมาใช้เพื่อส่งกระแสไฟฟ้าโดยไม่กระจายหรือสร้างรถไฟลอยตัวด้วยแม่เหล็กที่วิ่งได้โดยไม่มีแรงเสียดทาน

“ระบบกราฟีนมุมมายากลตอนนี้เป็น ‘ครอบครัว’ ที่ถูกต้องตามกฎหมาย นอกเหนือจากระบบสองระบบ” ผู้เขียนนำ Jeong Min (Jane) Park นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาในภาควิชาฟิสิกส์ของ MIT กล่าว “การมีตระกูลนี้มีความหมายเป็นพิเศษเพราะเป็นวิธีการออกแบบตัวนำยิ่งยวดที่ทนทาน”

ผู้ร่วมเขียน MIT ของ Park ได้แก่ Yuan Cao, Li-Qiao Xia, Shuwen Sun และ Pablo Jarillo-Herrero, Cecil และ Ida Green ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ พร้อมด้วย Kenji Watanabe และ Takashi Taniguchi จากสถาบันวัสดุศาสตร์แห่งชาติใน Tsukuba ประเทศญี่ปุ่น .

“ไม่มีขีด จำกัด”

กลุ่มของ Jarillo-Herrero เป็นกลุ่มแรกที่ค้นพบกราฟีนมุมมายากล ในรูปแบบของโครงสร้าง bilayer ของแผ่นกราฟีนสองแผ่นวางแผ่นหนึ่งไว้บนอีกแผ่นหนึ่งและหักล้างเล็กน้อยที่มุม 1.1 องศาที่แม่นยำ โครงสร้างที่บิดเบี้ยวนี้เรียกว่า moiré superlattice ได้เปลี่ยนวัสดุให้เป็นตัวนำยิ่งยวดที่แข็งแรงและคงอยู่ที่อุณหภูมิต่ำมาก

นักวิจัยยังพบว่าวัสดุดังกล่าวแสดงโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ประเภทหนึ่งที่เรียกว่า “แถบแบน” ซึ่งอิเล็กตรอนของวัสดุมีพลังงานเท่ากันโดยไม่คำนึงถึงโมเมนตัม ในสถานะแบนด์แบนด์นี้ และที่อุณหภูมิเย็นจัด อิเลคตรอนที่คลั่งไคล้โดยปกติจะรวมตัวกันช้าลงพอที่จะจับคู่กับสิ่งที่เรียกว่าคู่คูเปอร์ ซึ่งเป็นส่วนผสมสำคัญของความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่สามารถไหลผ่านวัสดุได้โดยไม่มีความต้านทาน

ในขณะที่นักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่ากราฟีน bilayer bilayer แบบบิดมีทั้งความเป็นตัวนำยิ่งยวดและโครงสร้างแบนด์ แต่ก็ไม่ชัดเจนว่าอดีตเกิดขึ้นจากหลังหรือไม่

“ไม่มีข้อพิสูจน์ว่าโครงสร้างของแถบแบนนำไปสู่ความเป็นตัวนำยิ่งยวด” Park กล่าว “ตั้งแต่นั้นมา กลุ่มอื่นๆ ได้ผลิตโครงสร้างบิดเกลียวอื่นๆ จากวัสดุอื่นๆ ที่มีแถบแบนๆ บ้าง แต่พวกมันไม่มีความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่แข็งแกร่งจริงๆ ดังนั้นเราจึงสงสัยว่า: เราสามารถผลิตอุปกรณ์ตัวนำยิ่งยวดแบนด์อื่นได้หรือไม่”

เมื่อพวกเขาพิจารณาคำถามนี้ กลุ่มหนึ่งจากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดได้รับการคำนวณที่ยืนยันทางคณิตศาสตร์ว่าชั้นกราฟีนสามชั้นซึ่งบิดเบี้ยวที่ 1.6 องศา จะแสดงแถบแบนราบด้วย และแนะนำว่าพวกมันอาจตัวนำยิ่งยวด พวกเขายังคงแสดงให้เห็นว่าไม่ควร จำกัด จำนวนชั้นของกราฟีนที่แสดงความเป็นตัวนำยิ่งยวดหากซ้อนกันและบิดเบี้ยวอย่างถูกวิธีในมุมที่พวกเขาคาดการณ์ไว้ ในที่สุด พวกเขาพิสูจน์แล้วว่าสามารถเชื่อมโยงโครงสร้างหลายชั้นทุกโครงสร้างทางคณิตศาสตร์กับโครงสร้างแบนด์ทั่วไปได้ ซึ่งเป็นข้อพิสูจน์ที่ชัดเจนว่าแถบแบนราบอาจนำไปสู่ความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่แข็งแกร่ง

“พวกเขาคิดออกว่าอาจมีลำดับชั้นทั้งหมดของโครงสร้างกราฟีน ไปจนถึงชั้นอนันต์ ซึ่งอาจสอดคล้องกับนิพจน์ทางคณิตศาสตร์ที่คล้ายคลึงกันสำหรับโครงสร้างแบนด์แบนด์” Park กล่าว

ไม่นานหลังจากงานนั้น กลุ่มของ Jarillo-Herrero พบว่าที่จริงแล้วตัวนำยิ่งยวดและแถบแบนปรากฏขึ้นในกราฟีนสามชั้นที่บิดเบี้ยว — แผ่นกราฟีนสามแผ่นซ้อนกันเหมือนแซนวิชชีส ชั้นชีสกลางขยับ 1.6 องศาเมื่อเทียบกับชั้นนอกที่ประกบ . แต่โครงสร้างไตรเลเยอร์ยังแสดงให้เห็นความแตกต่างเล็กน้อยเมื่อเทียบกับโครงสร้างแบบไบเลเยอร์

“นั่นทำให้เราถามว่าโครงสร้างทั้งสองนี้เข้ากันได้อย่างไรในแง่ของวัสดุทั้งประเภท และมาจากตระกูลเดียวกัน?” ปาร์คพูดว่า.

ครอบครัวที่ไม่ธรรมดา

ในการศึกษาปัจจุบัน ทีมงานพยายามเพิ่มระดับชั้นของกราฟีน พวกเขาสร้างโครงสร้างใหม่สองโครงสร้าง ทำจากชั้นกราฟีนสี่และห้าชั้นตามลำดับ โครงสร้างแต่ละอันจะเรียงซ้อนกันสลับกัน คล้ายกับแซนด์วิชชีสแบบเลื่อนของกราฟีนสามชั้นที่บิดเบี้ยว

ทีมงานเก็บโครงสร้างไว้ในตู้เย็นที่อุณหภูมิต่ำกว่า 1 เคลวิน (ประมาณ -273 องศาเซลเซียส) ใช้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านแต่ละโครงสร้าง และวัดเอาต์พุตภายใต้สภาวะต่างๆ คล้ายกับการทดสอบระบบ bilayer และ trilayer

โดยรวมแล้ว พวกเขาพบว่ากราฟีนบิดเกลียวทั้งสี่และห้าชั้นยังแสดงถึงความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่แข็งแกร่งและแถบแบน โครงสร้างยังมีความคล้ายคลึงกันอื่นๆ กับโครงสร้างสามชั้น เช่น การตอบสนองภายใต้สนามแม่เหล็กที่มีความแรง มุม และทิศทางที่แตกต่างกัน

การทดลองเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างกราฟีนที่บิดเบี้ยวถือได้ว่าเป็นตระกูลใหม่หรือชั้นของวัสดุตัวนำยิ่งยวดทั่วไป การทดลองยังแนะนำว่าอาจมีแกะดำในครอบครัว: โครงสร้าง bilayer บิดเบี้ยวดั้งเดิมในขณะที่แบ่งปันคุณสมบัติหลักก็แสดงให้เห็นความแตกต่างเล็กน้อยจากพี่น้องของมัน ตัวอย่างเช่น การทดลองก่อนหน้านี้ของกลุ่มแสดงให้เห็นว่าตัวนำยิ่งยวดของโครงสร้างแตกตัวภายใต้สนามแม่เหล็กที่ต่ำกว่าและไม่สม่ำเสมอมากขึ้นเมื่อสนามหมุน เมื่อเทียบกับพี่น้องหลายชั้น

ทีมงานทำการจำลองโครงสร้างแต่ละประเภท โดยมองหาคำอธิบายความแตกต่างระหว่างสมาชิกในครอบครัว พวกเขาสรุปว่าข้อเท็จจริงที่ว่าตัวนำยิ่งยวดของ bilayer graphene บิดเบี้ยวตายภายใต้สภาวะแม่เหล็กบางอย่าง เป็นเพียงเพราะชั้นทางกายภาพทั้งหมดของมันอยู่ในรูปแบบ “ไม่สะท้อน” ภายในโครงสร้าง กล่าวอีกนัยหนึ่งไม่มีสองชั้นในโครงสร้างที่มีกระจกตรงข้ามกันในขณะที่พี่น้องหลายชั้นของกราฟีนแสดงความสมมาตรของกระจกบางประเภท การค้นพบนี้ชี้ให้เห็นว่ากลไกการขับอิเล็กตรอนให้ไหลในสถานะตัวนำยิ่งยวดที่แข็งแรงจะเหมือนกันในตระกูลกราฟีนที่บิดเบี้ยว

“นั่นสำคัญมาก” ปาร์คตั้งข้อสังเกต “โดยที่ไม่รู้เรื่องนี้ ผู้คนอาจคิดว่า bilayer graphene เป็นแบบธรรมดามากกว่าเมื่อเทียบกับโครงสร้างแบบหลายชั้น แต่เราแสดงให้เห็นว่าทั้งครอบครัวนี้อาจเป็นตัวนำยิ่งยวดที่แหวกแนวและแข็งแกร่ง”

งานวิจัยนี้ส่วนหนึ่งได้รับการสนับสนุนโดยกระทรวงพลังงานสหรัฐ มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ สำนักงานวิจัยวิทยาศาสตร์กองทัพอากาศ กองทุนกอร์ดอนและเบตตี มัวร์ มูลนิธิรามอนอาเรเซส และโครงการ CIFAR เกี่ยวกับวัสดุควอนตัม

หน้าแรก