Быстрый электрический импульс полностью инвертирует электронные свойства материи, открывая путь для сверхбыстрой электроники с высокой проводимостью, вдохновленной мозгом. — Учить ежедневно

Это открытие может привести к созданию сверхбыстрых и энергоэффективных транзисторов для нейронов — электроники, предназначенной для работы аналогично быстрому включению/выключению нейронов в человеческом мозгу.

Графен под магическим углом относится к особому слою графена — материалу толщиной в атом, состоящему из атомов углерода, соединенных в шестиугольную структуру, похожую на проволочную сетку. Когда один лист графена укладывается поверх второго листа под точным «магическим» углом, скрученная структура создает слегка параллельный «муаровый» узор или сверхрешетку, способную поддерживать множество удивительных электронных свойств.

В 2018 году Пабло Харилло-Эрреро и его группа из Массачусетского технологического института первыми продемонстрировали двухслойный графен, скрученный под магическим углом. Они показывают, что новая двухслойная структура может действовать как изолятор, подобно дереву, при приложении заданного непрерывного электрического поля. Когда они поднялись по сфере, изолятор внезапно превратился в сверхпроводник, позволяя электронам течь без трения.

Это открытие породило «твистонику» — область, изучающую, как определенные электронные свойства возникают в результате скручивания и наслоения двумерных материалов. Исследователи, в том числе Харилло-Эрреро, открыли удивительные свойства графена под магическим углом, в том числе различные способы переключения материала между различными электронными состояниями. До сих пор такие «переключатели» функционировали как диммеры, где исследователи должны постоянно прикладывать электрическое или магнитное поле, чтобы включить сверхпроводимость и поддерживать ее.

Теперь Ярило Эрреро и его команда показали, что сверхпроводимость в графене под магическим углом можно включить и поддерживать с помощью короткого импульса, а не постоянного электрического поля. Ключом, который они нашли, была комбинация свертки и укладки.

В статье, появившейся сегодня в Нанотехнологии природыКоманда сообщает, что, уложив графен под магическим углом между двумя уравновешенными слоями нитрида бора — двумерного изолирующего материала — уникальное выравнивание многослойной структуры позволило исследователям включать и выключать сверхпроводимость графена с помощью короткого электрического импульса.

«Для подавляющего большинства материалов, если убрать электрическое поле, zzzzip, электрическое состояние исчезнет», — говорит Ярило Эрреро, профессор физики Массачусетского технологического института Сесил и Ида Грин. «Это первый случай, когда был изготовлен сверхпроводящий материал, который можно внезапно включать и выключать электрически. Это может проложить путь к новому поколению скрученной сверхпроводящей электроники на основе графена».

Соавторами из Массачусетского технологического института являются ведущий автор Далия Кляйн, Ли-Цяо Ся и Дэвид Макнил, а также Кенджи Ватанабэ и Такаши Танигути из Национального института материаловедения Японии.

Переверните переключатель

В 2019 году группа из Стэнфордского университета обнаружила, что графен с магическим углом можно перевести в ферромагнитное состояние. Ферромагнетики — это материалы, сохраняющие свои магнитные свойства даже в отсутствие внешнего магнитного поля.

Исследователи обнаружили, что угловой магнитный графен может проявлять ферромагнитные свойства таким образом, что его можно включать и выключать. Это произошло, когда слои графена были помещены между двумя слоями нитрида бора, так что кристаллическая структура графена была выровнена с одним из слоев нитрида бора. Расположение похоже на чизбургер в том, что направления верхнего ломтика хлеба и сыра выровнены, но нижний ломтик хлеба повернут под случайным углом по отношению к верхнему ломтику. Результат заинтересовал группу Массачусетского технологического института.

«Мы пытались получить более сильный магнит, совместив обе полосы», — говорит Харилло Эрреро. Вместо этого мы нашли что-то совершенно другое.

В своем текущем исследовании команда сделала бутерброд из тщательно сложенных под углом материалов. Сэндвич «сыр» состоит из графена под магическим углом — двух листов графена, верхний из которых слегка повернут на «магический» угол в 1,1 градуса по отношению к нижнему листу. Поверх этой структуры они поместили слой нитрида бора, идеально выровненный с верхним листом графена. Наконец, они поместили второй слой нитрида бора под всю структуру и сместили его на 30 градусов по отношению к верхнему слою нитрида бора.

Затем команда измерила электрическое сопротивление слоев графена при подаче напряжения на затвор. Они обнаружили, как и другие, что скрученный двухслойный графен переключает электронные состояния, переходя между изолирующим, проводящим и сверхпроводящим состояниями при некоторых известных напряжениях.

Чего группа не ожидала, так это того, что каждое электронное состояние сохраняется, а не исчезает сразу после снятия напряжения — свойство, известное как нестабильность. Они обнаружили, что при определенном напряжении слои графена становились сверхпроводящими и оставались сверхпроводящими, даже когда исследователи отключали это напряжение.

Этот доказуемый эффект указывает на то, что сверхпроводимость может включаться и выключаться короткими электрическими импульсами, а не постоянным электрическим полем, подобно щелчку выключателя. Неясно, что обеспечивает эту переключаемую сверхпроводимость, хотя исследователи подозревают, что это связано с особым выравниванием скрученного графена с двумя слоями нитрида бора, что обеспечивает фотоэлектрическую реакцию системы. (Термоэлектрические материалы демонстрируют стабильность своих электрических свойств.)

«Обратив внимание на наложение, вы можете добавить еще одну ручку настройки к растущей сложности магии углов, сверхпроводящих устройств», — говорит Клейн.

На данный момент команда рассматривает новый сверхпроводящий переключатель как еще один инструмент, который исследователи могут использовать при разработке материалов для более быстрой, компактной и более энергоэффективной электроники.

«Люди пытаются создавать электронные устройства, которые выполняют вычисления так, как это делает мозг», — говорит Харилло Эрреро. «В мозгу у нас есть нейроны, которые срабатывают после определенного порога. Точно так же мы теперь нашли способ для графена под магическим углом внезапно переключать сверхпроводимость за пределами определенного порога. Это ключевое свойство в реализации нейронных вычислений».

Это исследование было частично поддержано Управлением научных исследований ВВС, Управлением исследований армии и Фондом Гордона и Бетти Мур.