Разработан многофункциональный графеновый полупроводник

Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли разработали тонкое графеновое устройство, переключающееся из состояния полупроводника в изолятор и обратно без потери энергии.

Изменения происходят за счет нажатия переключателя, сообщает eurekalert.org. Выводы исследования опубликованы в журнале Nature.

«Обычно, желая изучить взаимодействие электронов в полупроводниковой квантовой и изоляционной фазах, человек должен использовать разные материалы. Наша система позволяет работать с одним продуктом», — сказал Гуоруй Чен, ведущий автор исследования и сотрудник лаборатории профессора Фэна Вана, руководителя проекта.

Устройство состоит из 3 слоев графена атомарной толщины. Помещенные между двумерными листами нитрида бора, они формируют повторяющуюся структуру, муаровую суперрешетку. Материал может помочь другим ученым понять сложные механизмы в основе феномена высокотемпературной сверхпроводимости.

В прошлом исследовании ученые сообщили о наличии свойств изолятора Мотта у изделия из трехслойного графена. Этот класс материалов каким-то образом прекращает проводить ток при сотнях градусов ниже нуля, несмотря на классическую теорию, предсказывающую движение заряда. Ученые давно считают, что изолятор Мотта можно превратить в сверхпроводник, добавив электроны. Последние 10 лет они искали способы соединения разных двумерных материалов, часто используя графен. Одна из групп выяснила, что он формирует муаровые суперрешетки при выравнивании под правильным углом.

В этом проекте команда, включавшая сотрудников Стенфордского и Фуданьского университетов, использовала криогенный рефрижератор, обеспечивающий температуру 40 милликельвинов (около -273°С). Он должен был охладить устройство до состояния, в котором ожидалась сверхпроводимость.

По достижении 4 К (-269°С) на верхние и нижние входы устройства начали воздействовать разными напряжениями. Как и ожидалось, при одновременном приложении мощного вертикального электрического поля, электроны заполнили каждую ячейку структуры, локализовавшись и превратив ее в изолятор Мотта.

Вторая подача более мощного напряжения дестабилизировала частицы. Устройство стало проводить ток без потери сопротивления. Нитрид бора каким-то образом усилил взаимодействие электронов в присутствии напряжения. От его мощности зависит, является устройство изолятором или проводником. Оно позволит изучать взаимодействие электронов и атомов в новых экзотических материалах – потенциальном сырье для квантовых компьютеров.