MIT Fizikçileri, Kalemleri Altına Dönüştürerek Grafitin Sınırlarını Zorluyor
İnce grafit pulları üç önemli özellik sergileyecek şekilde ayarlanabilir.
MIT fizikçileri, belirli bir düzende istiflenmiş beş ultra ince taneciği izole ederek grafiti ya da kurşun kalemi mecazi anlamda altına dönüştürdüler. Ortaya çıkan malzeme daha sonra doğal grafitte daha önce hiç görülmemiş üç önemli özelliği sergileyecek şekilde ayarlanabiliyor.
Fizik Bölümü’nde yardımcı doçent olan ve Nature Nanotechnology’nin 5 Ekim tarihli sayısında rapor edilen çalışmanın lideri Long Ju, “Bu bir tür tek noktadan alışveriş gibi” diyor. “Doğanın pek çok sürprizi vardır. Bu durumda, tüm bu ilginç şeylerin grafitin içine gömülü olduğunu hiç fark etmemiştik.”
Ayrıca, “Bu kadar çok özelliği barındırabilen malzeme bulmak çok nadirdir” diyor.
Grafit, bal peteği yapısına benzeyen altıgenler halinde düzenlenmiş tek bir karbon atomu katmanı olan grafenden oluşur. Grafen ise yaklaşık 20 yıl önce ilk kez izole edildiğinden bu yana yoğun araştırmaların odağı olmuştur. Daha yakın bir zamanda, yaklaşık beş yıl önce, MIT’deki bir ekip de dahil olmak üzere araştırmacılar, tek tek grafen tabakalarını istiflemenin ve bunları birbirlerine hafif bir açıyla bükmenin, malzemeye süper iletkenlikten manyetizmaya kadar yeni özellikler kazandırabileceğini keşfettiler. Böylece “twistronics” alanı doğdu.
Aynı zamanda Malzeme Araştırma Laboratuvarı’na bağlı olan Ju, mevcut çalışmada “hiç bükülme olmadan ilginç özellikler keşfettik” diyor.
O ve meslektaşları, belirli bir düzende dizilmiş beş grafen katmanının, malzemenin içinde hareket eden elektronların birbirleriyle konuşmasına izin verdiğini keşfetti. Ju, elektron korelasyonu olarak bilinen bu olgunun, “tüm bu yeni özellikleri mümkün kılan sihir olduğunu” söylüyor.
Yığın grafit – ve hatta tek grafen tabakaları – iyi elektrik iletkenleridir, ama hepsi bu kadar. Ju ve meslektaşlarının izole ettikleri ve pentalayer rhombohedral stacked graphene adını verdikleri malzeme, parçalarının toplamından çok daha fazlası haline geliyor.
Yeni mikroskop
Malzemeyi izole etmenin anahtarı, Ju’nun 2021 yılında MIT’de inşa ettiği ve nano ölçekte bir malzemenin çeşitli önemli özelliklerini hızlı ve nispeten ucuz bir şekilde belirleyebilen yeni bir mikroskoptu. Çift katmanlı eşkenar dörtgen istiflenmiş grafen, bir metrenin yalnızca birkaç milyarda biri kalınlığındadır.
Ju’nun da aralarında bulunduğu bilim insanları, eşkenar dörtgen istifleme olarak bilinen çok hassas bir düzende istiflenmiş çok katmanlı grafen arıyorlardı. Ju şöyle diyor: “Beş katmana çıktığınızda 10’dan fazla olası istifleme düzeni var. Eşkenar dörtgen bunlardan sadece biri.” Ju’nun inşa ettiği ve Saçılma Tipi Taramalı Yakın Alan Optik Mikroskobu ya da s-SNOM olarak bilinen mikroskop, bilim insanlarının yalnızca ilgilendikleri eşkenar dörtgen istifleme düzenindeki pentalayerleri tanımlayıp izole etmelerini sağladı.
Üçü bir arada
Ekip buradan elektrotları, çift katmanlı eşkenar dörtgen istiflenmiş grafenin narin “etini” koruyan bor nitrür “ekmeğinden” oluşan küçük bir sandviçe bağladı. Elektrotlar, sistemi farklı voltajlarla veya elektrik miktarlarıyla ayarlamalarını sağladı. Sonuç: Sistemi dolduran elektronların sayısına bağlı olarak üç farklı fenomenin ortaya çıktığını keşfettiler.
Ju, “Malzemenin yalıtkan, manyetik veya topolojik olabileceğini gördük” diyor. İkincisi, hem iletkenler hem de yalıtkanlarla bir şekilde ilişkilidir. Ju, esasen topolojik bir malzemenin, elektronların bir malzemenin kenarları etrafında engellenmeden hareket etmesine izin verdiğini, ancak ortasından geçmediğini açıklıyor. Elektronlar, malzemenin kenarındaki bir “otoyol” boyunca, malzemenin merkezini oluşturan bir medyan ile ayrılmış bir yönde hareket ediyor. Yani topolojik bir malzemenin kenarı mükemmel bir iletken, merkezi ise bir yalıtkandır.
Ju ve çalışma arkadaşları Nature Nanotechnology’de şu sonuca varıyor: “Çalışmamız, güçlü korelasyonlu ve topolojik fiziğin bu yeni olasılıklarını incelemek için son derece ayarlanabilir bir platform olarak eşkenar dörtgen istiflenmiş çok katmanlı grafeni oluşturuyor.”
Ju’nun yanı sıra makalenin yazarları Tonghang Han ve Zhengguang Lu’dur. Han, Fizik Bölümü’nde yüksek lisans öğrencisi; Lu ise Malzeme Araştırma Laboratuvarı’nda doktora sonrası araştırmacı. İkili, makalenin ortak ilk yazarlarıdır.
Diğer yazarlar ise Harvard Üniversitesi’nden Giovanni Scuri, Jiho Sung, Jue Wang ve Hongkun Park; Japonya’daki Ulusal Malzeme Bilimi Enstitüsü’nden Kenji Watanabe ve Takashi Taniguchi; ve MIT Fizik Bölümü’nden Tianyi Han.
Bu çalışma bir Sloan Bursu; ABD Ulusal Bilim Vakfı; ABD Savunma Bakanlığı Araştırma ve Mühendislik Müsteşarlığı; Japonya Bilimi Geliştirme Derneği KAKENHI; Japonya Dünya Birincisi Uluslararası Araştırma Girişimi; ve ABD Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Ofisi tarafından desteklenmiştir.
Derleyen: Deniz KAFKAS
Kaynak: MIT Fizikçileri, Kalemleri Altına Dönüştürerek Grafitin Sınırlarını Zorluyor
İzlanda’daki Yanardağ Patlamaya Hazır ve Korkunç Seslerle Uyarı Veriyor!