Αν και στριμμένα φύλλα διπλού διπλού γραφενίου έχουν μελετηθεί εκτενώς τα τελευταία χρόνια, εξακολουθούν να λείπουν κομμάτια στο παζλ που είναι το διάγραμμα φάσης του – οι διαφορετικές αδιατάρακτες, βασικές καταστάσεις του συστήματος. Γράφοντας μέσα Φυσική της Φύσης, η Carmen Rubio-Verdú και οι συνεργάτες της βρήκαν ένα νέο κομμάτι παζλ: μια ηλεκτρονική νηματική φάση.

Περιγράφηκε για πρώτη φορά σε μια άλλη κατάσταση της ύλης που ονομάζεται α υγρό κρύσταλλο, ένα νηματική φάση εμφανίζεται όταν τα σωματίδια σε ένα υλικό σπάζουν μια κατά τα άλλα συμμετρική δομή και προσανατολίζονται χαλαρά μεταξύ τους κατά μήκος του ίδιου άξονα. Αυτό το φαινόμενο είναι η βάση της οθόνης LCD που χρησιμοποιείται συνήθως σε τηλεοράσεις και οθόνες υπολογιστών. Σε ηλεκτρονικό νηματικό φάση, τα εν λόγω σωματίδια είναι ηλεκτρόνια, των οποίων η συμπεριφορά και η διάταξη σε ένα υλικό μπορεί να επηρεάσει πόσο καλά αυτό το υλικό θα μεταφέρει ένα ηλεκτρικό ρεύμα σε διαφορετικές κατευθύνσεις.

«Τα δεδομένα είναι εκπληκτικά», λέει ο συν-συγγραφέας Rafael Fernandes, a θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Μινεσοτάου, ο οποίος γνώρισε τον ανώτερο συγγραφέα Abhay Pasupathy ως μεταδιδάκτορα στην Κολούμπια. «Μπορείτε να δείτε ξεκάθαρα ότι σπάει μια συμμετρία».

Οι σπασμένες συμμετρίες συχνά αποδίδουν νέα κβαντικά αποτελέσματα, εξήγησε. Στριφτό διπλό στρώμα γραφένιο συνήθως έχει τριπλή συμμετρία—όσες φορές κι αν περιστρέψετε μια εικόνα της σε στροφές 120 μοιρών, παραμένει η ίδια. Χρησιμοποιώντας μικροσκοπία και φασματοσκοπία σάρωσης σήραγγας για την καταγραφή των ηλεκτρονικών ιδιοτήτων μεμονωμένων ατόμων, η Rubio-Verdú και οι συνεργάτες της κατέγραψαν συνεστραμμένο γραφένιο σε διαφορετικές τάσεις. “Αυτό που βλέπουμε είναι λωρίδες”, είπε – αυτά είναι ηλεκτρόνια που ευθυγραμμίζονται εκ νέου και σπάζουν τη συμμετρία του δείγματος, ακόμη και όταν το υποκείμενο ατομικό πλέγμα παραμένει το ίδιο. Σε αυτήν την παρατηρούμενη νηματική φάση, η εικόνα μπορεί πλέον να αναστραφεί μόνο κατά 180 μοίρες.

«Αυτές οι φάσεις προκύπτουν από αλληλεπιδράσεις ηλεκτρονίου-ηλεκτρονίου», είπε ο Rubio-Verdú, συνεργάτης της Marie Skłodowska-Curie Actions που μελετά ηλεκτρονικές φάσεις σε υλικά μουαρέ όπως το συνεστραμμένο γραφένιο με την Πασουπάθεια. «Η εύρεση μιας νέας φάσης όπως αυτή είναι συναρπαστική γιατί προσθέτει στην ολιστική κατανόησή μας για τα συστήματα που βασίζονται στο γραφένιο».

Προηγούμενα πειράματα πρότειναν ότι μια τέτοια συσχετισμένη ηλεκτρονική φάση υπήρχε στο συνεστραμμένο γραφένιο, αλλά δεν ήταν σαφές εάν αυτό ήταν πράγματι το αποτέλεσμα της καταπόνησης στο στριμμένο υλικό. Η παραμόρφωση μπορεί επίσης να εξαναγκάσει τα ηλεκτρόνια να κινηθούν, αλλά αυτό είναι ένα μηχανικό και όχι ηλεκτρονικό αποτέλεσμα, εξήγησε ο Rubio-Verdú. Σε αυτό το πείραμα, η ομάδα χρησιμοποίησε ένα δείγμα συνεστραμμένου γραφενίου που ήταν σχετικά μεγάλο αλλά είχε εξαιρετικά χαμηλή τάση —μόλις 0,03 τοις εκατό. «Εξετάζουμε εκατοντάδες νανόμετρα και το αποτέλεσμα παραμένει», είπε ο Rubio-Verdú. “Αυτή είναι μια πραγματική ηλεκτρονική νηματική φάση.”

Θεωρητικά, μια τέτοια φάση θα μπορούσε να υπάρχει σε οποιοδήποτε υλικό με βάση το γραφένιο. Σε μελλοντική εργασία, η ομάδα σχεδιάζει να διερευνήσει πώς η νηματική φάση επηρεάζει την ικανότητα του στριμμένου διπλού διπλού στρώματος γραφενίου να διεξάγει ηλεκτρικό ρεύμα.

Η κατανόηση της πλήρους σειράς ηλεκτρονικής συμπεριφοράς σε υλικά μουαρέ όπως το συνεστραμμένο γραφένιο μπορεί μια μέρα να βοηθήσει τους φυσικούς να κατανοήσουν καλύτερα μια άλλη κβαντική φάση, την υπεραγωγιμότητα, στην οποία ένα ηλεκτρικό ρεύμα κινείται μέσα από ένα υλικό με μηδενική αντίσταση. Αυτή η φάση, ωστόσο, αυτή τη στιγμή συμβαίνει πολύ χαμηλές θερμοκρασίες—ακόμη και οι λεγόμενοι υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας, που χρησιμοποιούνται σε συσκευές όπως μηχανές μαγνητικής τομογραφίας, πρέπει να διατηρούνται σχεδόν 100 °F κάτω από το μηδέν. Αν και τα υλικά μουαρέ όπως το στριφτό γραφένιο μελετώνται σε θερμοκρασίες που πλησιάζουν τους -450 °F, μοιράζονται ομοιότητες με υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας, είπε ο Rubio-Verdú, όπως οι υπεραγώγιμες και μονωτικές καταστάσεις που εξαρτώνται από το ντόπινγκ ηλεκτρονίων.

Το πεδίο εξακολουθεί να θέτει θεμελιώδη ερωτήματα σχετικά με τη φύση των υλικών moiré, αλλά η ανακάλυψη μιας ηλεκτρονικής νηματικής φάσης σε συνεστραμμένο διπλό διπλό στρώμα γραφενίου είναι μόνο ένα ακόμη κομμάτι αυτού του παζλ που έχει τεθεί τώρα σε εφαρμογή. «Βλέπουμε ηλεκτρονική νηματοληψία σε μια άλλη κατηγορία ενώσεων», είπε ο Fernandes. «Καθώς οι άνθρωποι ανακαλύπτουν κάθε είδους διαφορετικούς τρόπους συστροφής διαφορετικών στρωμάτων, τώρα θέλουμε να καταλάβουμε τι είναι κοινό και στιβαρό».