Physiker am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben einen neuen Weg gefunden, Graphen schaltbar zu machen. Sie haben das supraleitende Material mit Bornitridschichten kombiniert. Der Winkel und die Ausrichtung jeder Schicht ermöglichen es den Forschern, das Graphen mit kurzen elektrischen Impulsfolgen ein- und auszuschalten, ähnlich wie einen Lichtschalter.
Die Entdeckung könnte zu ultraschnellen, energieeffizienten supraleitenden Transistoren für neuromorphe Bauelemente führen. Dabei handelt es sich um Elektronik, die so konzipiert ist, dass sie ähnlich wie das schnelle Ein- und Ausschalten von Neuronen im menschlichen Gehirn funktioniert. Das Besondere am neuen Werkstoff ist die Stapelung von Graphen – ein atomdünnes Material aus Kohlenstoffatomen, die in einem hexagonalen Muster verbunden sind, das Hühnerdraht ähnelt. Wenn eine Graphenschicht in einem präzisen “magischen” Winkel auf eine zweite Schicht gestapelt wird, erzeugt die verdrehte Struktur ein leicht versetztes “Moiré”-Muster oder Übergitter, das in der Lage ist, eine Vielzahl überraschender elektronischer Verhaltensweisen zu unterstützen.
Twistronik
Im Jahr 2018 waren Pablo Jarillo-Herrero und seine Gruppe am MIT die ersten, die gedrehtes, zweischichtiges Graphen mit einem magischem Winkel demonstrierten. Sie zeigten, dass sich die neue Doppelschichtstruktur ähnlich wie Holz, wie ein Isolator verhalten kann, wenn sie eine bestimmte elektrische Spannung anlegen. Als sie die Spannung erhöhten, verwandelte sich der Isolator plötzlich in einen Supraleiter, der Elektronen reibungsfrei fließen ließ. Diese Entdeckung war ein Wendepunkt auf dem Gebiet der “Twistronik”, die untersucht, wie bestimmte elektronische Eigenschaften aus der Verdrehung und Schichtung zweidimensionaler Materialien entstehen. In weiteren Versuchen haben die Wissenschaftler weitere überraschende Eigenschaften dieses „Magischer-Winkel-Graphens“ entdeckt, einschließlich verschiedener Möglichkeiten, das Material zwischen verschiedenen elektronischen Zuständen umzuschalten. Bisher wirkten solche “Schalter” eher wie Dimmer, indem Forscher kontinuierlich ein elektrisches oder magnetisches Feld anlegen müssen, um die Supraleitung einzuschalten und eingeschaltet zu halten.
Jetzt haben Jarillo-Herrero und sein Team gezeigt, dass die Supraleitung in Graphen mit magischem Winkel mit nur einem kurzen Impuls und nicht mit einem kontinuierlichen elektrischen Feld eingeschaltet und ausgeschaltet werden kann. Der Schlüssel, so fanden sie, war eine Kombination aus Verdrehen und Stapeln. In einem Artikel in Nature Nanotechnology veröffentlichte das Team seine Forschungsergebnisse, die hoffentlich zu neunen Durchbrüchen in der „Twistronik“ führen.
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