I ricercatori formulano "regole d'oro" per controllare l'allineamento dei reticoli supermoiré

29 agosto 2023

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dall'Università Nazionale di Singapore

I fisici dell’Università Nazionale di Singapore (NUS) hanno sviluppato una tecnica per controllare con precisione l’allineamento dei reticoli supermoiré utilizzando una serie di regole d’oro, aprendo la strada al progresso della materia quantistica moiré di prossima generazione.

I motivi moiré si formano quando due strutture periodiche identiche sono sovrapposte con un angolo di torsione relativo tra loro o due strutture periodiche diverse ma sovrapposte con o senza angolo di torsione. L'angolo di torsione è l'angolo tra gli orientamenti cristallografici delle due strutture. Ad esempio, quando il grafene e il nitruro di boro esagonale (hBN), che sono materiali stratificati, vengono sovrapposti l'uno sull'altro, gli atomi nelle due strutture non si allineano perfettamente, creando uno schema di frange di interferenza, chiamato motivo moiré.

Ciò si traduce in una ricostruzione elettronica. Il motivo moiré nel grafene e nell'hBN è stato utilizzato per creare nuove strutture con proprietà esotiche, come le correnti topologiche e gli stati delle farfalle di Hofstadter. Quando due motivi moiré vengono impilati insieme, viene creata una nuova struttura chiamata reticolo supermoiré (vedere la figura sopra). Rispetto ai tradizionali materiali moiré singoli, questo reticolo supermoiré espande la gamma di proprietà del materiale modificabili consentendone l'uso potenziale in una varietà molto più ampia di applicazioni.

Un gruppo di ricerca guidato dal professor Ariando del Dipartimento di Fisica, NUS, ha sviluppato una tecnica e realizzato con successo l'allineamento controllato del reticolo supermoiré hBN/grafene/hBN. Questa tecnica consente la disposizione precisa di due motivi moiré, uno sopra l'altro. Nel frattempo, i ricercatori hanno anche formulato la “Regola d’oro del tre” per guidare l’uso della loro tecnica per la creazione di reticoli supermoiré. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Communications.

Ci sono tre sfide principali nella creazione di un reticolo supermoiré di grafene. Innanzitutto, l’allineamento ottico tradizionale dipende fortemente dai bordi diritti del grafene, ma trovare una scaglia di grafene adatta richiede tempo e manodopera; In secondo luogo, anche se viene utilizzato il campione di grafene a bordi diritti, esiste una bassa probabilità di 1/8 di ottenere un reticolo supermoiré a doppio allineamento, a causa dell'incertezza della chiralità del bordo e della simmetria del reticolo. In terzo luogo, sebbene sia possibile identificare la chiralità del bordo e la simmetria del reticolo, gli errori di allineamento risultano spesso grandi (maggiori di 0,5 gradi), poiché è fisicamente difficile allineare due diversi materiali del reticolo.

Il dottor Junxiong Hu, l'autore principale del documento di ricerca, ha dichiarato: "La nostra tecnica aiuta a risolvere un problema della vita reale. Molti ricercatori mi hanno detto che di solito impiegano quasi una settimana per realizzare un campione. Con la nostra tecnica, possono non solo riduce notevolmente i tempi di fabbricazione, ma migliora anche notevolmente la precisione del campione."

I ricercatori utilizzano una tecnica di rotazione di 30 gradi all’inizio per controllare l’allineamento degli strati superiori di hBN e grafene. Quindi utilizzano una tecnica di ribaltamento per controllare l'allineamento degli strati hBN superiore e inferiore hBN. Sulla base di questi due metodi, possono controllare la simmetria del reticolo e ottimizzare la struttura delle bande del reticolo supermoiré del grafene. Hanno anche dimostrato che il bordo di grafite adiacente può fungere da guida per l'allineamento dell'impilamento. In questo studio, hanno fabbricato 20 campioni moiré con una precisione migliore di 0,2 gradi.