Naša kolegica Iva Šrut Rakić, zajedno s kolegama sa Sveučilišta Illinois, Urbana-Champaign (SAD), objavila je rad u prestižnom časopisu Nano Letters. U radu demonstriraju sposobnost manipulacije elektroničkim svojstvima grafena koristeći precizno uvedeno periodično naprezanje. Ovo istraživanje otkriva formiranje kako cjelobrojnih, tako i ne-cjelobrojnih pseudo-Landauovih nivoa (pLL) u grafenu, što otvara vrata za otkrivanje novih kvantnih faza tvari i razvoj naprednih elektroničkih uređaja.

Interaction Effects and Non-Integer Pseudo-Landau Levels in Engineered Periodically Strained Graphene

Iva Šrut Rakić, Matthew J. Gilbert, Preetha Sarkar, Anuva Aishwarya, Marco Polini, Vidya Madhavan, and Nadya Mason, Nano Lett. 2025, 25, 1, 41–47.

DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03542

Grafen, jedan sloj atoma ugljika raspoređenih u strukturu pčelinjeg saća, odavno je poznat po iznimnim elektroničkim i mehaničkim svojstvima. Ovo istraživanje naše kolegice i njezinih suradnika koristi nevjerojatnu fleksibilnost grafena za uvođenje periodičnog naprezanja, stvarajući super-mrežu tako što su materijal transferirali preko niza nanokuglica silicijevog dioksida. Naprezanje inducira pseudomagnetska polja (PMF) koja dosežu do 55T, uzrokujući formiranje ravnih energetskih vrpci i kvantiziranih gustoća stanja poznatih kao pseudo-Landauovi nivoi. Upotreba nanokuglica silicijevog dioksida kao supstrata omogućuje podesivo kvazi-periodično naprezanje, za razliku od prijašnjih metoda koje su se oslanjale na nekontrolirane procese.

Jedno od najzanimljivijih otkrića ovog rada su ne-cjelobrojni (racionalni) pLL-ova, novog kvantnog stanja predviđenog teorijom, ali eksperimentalno neuhvatljivog sve do sada (slika 1.). Takvi pLL-ovi nastaju zbog pojačanih interakcija između elektrona u ravnim energetskim vrpcama generiranim naprezanjem. Također je otkriveno cijepanje nultog pLL-a—obilježje loma simetrije pod-rešetki i izravnavanja vrpci—što pruža dublji uvid u ulogu Coulombovih interakcija u ponašanju grafenskih elektrona. Korištenjem skenirajuće tunelirajuće mikroskopije i spektroskopije, ovaj tim je precizno mapirao te značajke na nanometarskoj razini. Teorijski izračuni potvrdili su pojavu ovih fenomena i otkrili kako povećanje naprezanja može dodatno izravnati energetske vrpce, pojačavajući višestruke interakcije koje dovode do egzotičnih kvantnih faza. 

Ovaj sustav grafena s inženjerski uvedenim naprezanjem ne samo da demonstrira temeljne kvantne fenomene, već predstavlja skalabilnu platformu za istraživanje faza vođenih interakcijama, poput frakcijskog kvantnog Hall efekta, feromagnetizma i supravodljivosti. Sposobnost podešavanja elektroničkih stanja dizajnom supstrata mogla bi biti transformativna za kvantna računala, valleytroniku i nanoelektroniku. Nadalje, ovaj se pristup može primijeniti i na druge 2D materijale i van der Waals heterostrukture, omogućujući šire istraživanje kvantnih sustava temeljenih na naprezanju, a koje je istovremeno kompatibilan s CMOS tehnologijom.