Учени от Масачузетския технологичен институт (MIT) постигнаха значителен напредък в областта на материалознанието, като превърнаха обикновения графит в материал с нови, неподозирани досега свойства. Чрез изолиране на пет ултратънки слоя графит и подреждането им в определен ред изследователите успяват да настроят материала по такъв начин, че той да проявява три важни качества, които не се срещат в естественото състояние на материала.

„Това е като еднократна помощ“, отбелязва Лонг Жу, доцент по физика в Масачузетския технологичен институт (MIT) и ръководител на изследването, което е публикувано в Nature Nanotechnology на 5-ти октомври. „Природата е пълна с изненади, а ние нямахме представа, че графитът може да крие толкова много интересни неща“.

Изследването дава началото на нов клон на физиката, известен като „твистроника„. Графитът е съставен от графен – еднослойни листове въглерод, подредени в структура, наподобяваща пчелна пита. Графенът привлича съществено внимание от страна на учените след неговото откриване преди близо 20 години. Преди около пет години екип от Масачузетския технологичен институт (MIT) откри, че подреждането на отделните листове графен под малък ъгъл един спрямо друг придава на материала нови съвсем различни свойства – от свръхпроводимост до магнетизъм.

В новото изследване Жу и колегите му откриват интересни свойства на материала без никакво завъртане. Те са открили, че пет слоя графен, подредени в определена последователност, позволяват на електроните да взаимодействат помежду си, което създава предпоставки за появата на новите свойства.

За отделянето на новия материал, наречен петслоен ромбоиден графенов стек, е използван нов тип микроскоп, разработен от Жу в Масачузетския технологичен институт през 2021 г. Този инструмент позволява бързо и икономически ефективно определяне на различните характеристики на материалите в наномащаб.

С помощта на този микроскоп учените са търсили многослоен графен с много прецизен модел на подреждане, известен като ромбохедрален.

„Има повече от 10 възможни варианта за подреждане, когато се премине към пет слоя, и ромбохедралният е само един от тях“, казва Жу.

След като е определена необходимата последователност на слоевете, изследователите интегрират електроди в микроскопична структура, състояща се от защитен слой от боров нитрид, обхващащ ултратънък петслоен ромбохедрален графен. Това им дава възможност да манипулират електрическото поведение на материала чрез промяна на напрежението. Експериментите показаха, че в зависимост от приложеното напрежение материалът може да прояви изолационни, магнитни или топологични свойства.

„Открихме, че един и същ материал може да бъде изолационен, магнитен или топологичен“, казва Жу.

Топологичните материали позволяват на електроните да се движат свободно по ръбовете на материала, но не и през средата, което прави ръба на материала идеален проводник, а центъра – изолатор.

„Нашата работа утвърждава ромбоидно подредения многослоен графен като изключително регулируема и приспособима платформа за изследване на съвсем нови възможности в областта на силно корелираната и топологичната физика“, заключават Жу и неговите съавтори в Nature Nanotechnology.