Onderzoekers van de Universiteit van Salamanca hebben onlangs opmerkelijke ontdekkingen gedaan over de elektronische eigenschappen van grafiet moiré superroosters. Dit onderzoek, geleid door Juan Antonio Delgado en José Caridad vanuit het Centrum voor Onderzoek naar Licht en Gestructureerde Materialen (LUMES), heeft plaatsgevonden in samenwerking met experts uit verschillende landen, waaronder Spanje, Polen, Ierland, Nederland, China en Japan.
Kwante materialen zijn steeds belangrijker geworden voor de ontwikkeling van innovatieve elektronische apparaten en systemen die veelbelovende toepassingen bieden in strategische sectoren zoals computertechnologie, communicatie, geavanceerde detectie en veiligheid. Grafiet moiré superroosters, een van de meest veelbelovende systemen in de materiaalfysica, staan hierin centraal.
Het pioniersonderzoek, dat is gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano, onthult ooit onbekende elektronische eigenschappen van grafiet moiré superroosters met behulp van een techniek gebaseerd op fotocurrentiespectroscopie in het terahertz bereik. Dit onderzoek biedt een significante vooruitgang in de studie van de fundamentele eigenschappen van kwantum materialen en de ontwikkeling van ultrasensitieve detectietechnologie.
De superroosters worden gecreëerd door twee kristallen, meestal grafiet en hexagonaal boron-nitride (hBN), met een uiterst klein en gecontroleerd rotatie-inkomen te stapelen, doorgaans minder dan 1 graad. Deze unieke opstelling genereert periodieke patronen, bekende als moiré superroosters, die de oorspronkelijke elektronische eigenschappen van grafiet drastisch wijzigen.
Dit leidt tot de opkomst van nieuwe elektrische, optische en magnetische eigenschappen die het ontwerp van materialen met op maat gemaakte eigenschappen mogelijk maken. Om de complexe structuur van de elektronische banden in deze systemen te begrijpen, is het noodzakelijk om de nieuwe en interessante fenomenen te verklaren die in deze materialen worden waargenomen.
Tot nu toe was echter een gedetailleerde studie van de elektronische banden moeilijk uitvoerbaar vanwege beperkingen in resolutie en gevoeligheid van traditionele karakteriseringstechnieken. De onderzoekers van LUMES hebben daarom een nieuwe opto-elektronische meettechniek ontwikkeld, die het mogelijk maakt om de complexe elektronische banden van moiré superroosters in detail te verkennen.
Dankzij deze techniek kan de fotocurrentie die in het systeem wordt gegenereerd, worden gemeten in relatie tot belangrijke parameters zoals het rotatie-inkomen, de ladingsdichtheid en de frequentie van de binnenkomende straling. Deze informatie stelt de onderzoekers in staat om de onderliggende elektronische structuur van de bestudeerde moiré superroosters nauwkeurig af te leiden.
Belangrijke bevindingen van het onderzoek tonen de aanwezigheid aan van extreem kleine energiegaten, variërend van 1 tot 20 milli-electronvolt, in de elektronische banden van de systemen. Deze details, die tot nu toe onbereikbaar waren, zijn cruciaal voor het begrijpen van de eigenschappen van dragers van elektrische lading en de opkomende kwantumfenomenen in deze systemen.
Vanuit technologisch perspectief laat de studie zien dat structuren gebaseerd op grafiet en hexagonaal boron-nitride veel potentieel hebben om geavanceerde opto-elektronische apparaten te ontwikkelen, zoals stralingsdetectoren in de gigahertz-, terahertz- en infraroodbereiken, die een hoge gevoeligheid en laag geluid kunnen bieden.
Dit multidisciplinaire en internationale project heeft de samenwerking van onderzoekers uit diverse instellingen mogelijk gemaakt, waaronder de USAL en de Universiteit van Oviedo, evenals wetenschappers van CENTERA (Polen), de School of Physical Sciences (Ierland), de University of Chinese Academy of Sciences (China), NIMS (Japan) en de Universiteit van Groningen (Nederland). Deze samenwerking heeft bijgedragen aan een succesvol samenspel van theorie, simulatie en experimenten.
De onderzoekers benadrukken dat deze interdisciplinaire samenwerking essentieel is geweest voor het begrip en de gedetailleerde karakterisering van grafiet moiré superroosters en hun opto-elektronische eigenschappen.
