„Bolyaisok” – Makk Péter fizikus

A grafént a grafit egyetlen atomrétege alkotja. A nanoelektronika talán legígéretesebb anyaga. A grafén kiemelt szerepét az is mutatja, hogy az Európai Unió kiemelt kutatási területté, ún. „zászlóshajó” (Flagship) programjává emelte, továbbá hogy a grafén felfedezéséért a fizikai Nobel-díjat is odaítélték.

Makk Péter

„A grafénben az elektronok a hagyományos anyagoktól eltérően viselkednek: a lineáris diszperzió miatt a tömeg nélküli relativisztikus részecskékhez hasonlóan viselkednek – ez sok izgalmas, a relativisztikus fizikából ismert jelenséget enged tanulmányozni nanoskálán” – mondta Makk Péter, aki 2017-től a Magyar Tudományos Akadémia Bolyai-ösztöndíjának támogatásával folytatja grafénnel kapcsolatos kutatásait.

„A grafénnek kiváló elektromos tulajdonságai vannak: nagy az elektronok szabad úthossza, így az elektronok sok izgalmas tulajdonságát lehet tanulmányozni anélkül, hogy a mintában való szóródássukkal kellene foglalkozni. Mivel ilyen nagy tisztaságú struktúrákban az elektronok a fényhez hasonlóan tudnak haladni, az elektronok tulajdonságait az optikához hasonló, de elektronok interferenciáján alapuló Mach–Zehnder- (vagy Fabry–Perot-) interferométerek segítségével tudtuk tanulmányozni [1–2]. Új irányt jelentett kutatásaimban, hogy munkatársaimmal rájöttünk arra: ezekben a mintákban az elektronok szabad úthosszát még tovább lehet növelni külső mechanikai feszültséggel [3–4].”

Felső sor: Grafénalapú elektron optikai egységek hamis színezésű elektronmikroszkópos képe. Balra: Felfüggesztett grafénban kapuelektródákkal létrehozott optikai szál. Középen: Kapuelektródákkal létrehozott nyalábosztó. Jobbra: Grafén heterostruktúrában létrehozott Michelson-interferométer-képe.
Alsó sor: Balra: Grafénalapú spinszelep. A ferromágneses zöld elektródák spináram injektálására és detektálására használhatók, míg a sárga, normál elektródák referenciák. Jobbra: Több különböző 2D anyagból összeállított Van der Waals-heterostruktúra művészi képe.

A grafén az ún. spintronika területnek is az egyik fontos szereplője. Ezen belül olyan eszközök készítése a cél, amelyeknél az elektronok spinjét, belső impulzusmomentumát használják az információ tárolására. Makk Péter szerint erre a grafén kifejezetten alkalmas, a spininformációt olyan nagy távolságokra (~ több tíz mikrométer) el lehet benne jutattni, ami már lehetőséget ad spintronikai eszközök készítésére. „Az elmúlt években több kísérletet is végeztünk a területen, ahol azt vizsgáltuk, hogy hogyan lehet a spináramokat effektíven létrehozni és kiolvasni grafénban” – mondta [5–7].

Az elmúlt években rengeteg más kétdimenziós kristályt azonosítottak, amelyek között a szigetelők, félvezetők és fémek mellett szupravezetők és mágneses anyagok is találhatók [8].

Talán a szilárdtest-fizika és az anyagtudomány egyik legnagyobb felfedezése az volt, hogy rájöttek: különböző kétdimenziós kristályokat egymásra helyezve a létrejövő anyag tulajdonságai megtervezhetők.

Makk Péter és munkatársai egyik fontos kutatási eredménye az volt, hogy rájöttek: a grafént egy WSe2 nevű kétdimenziós kristályra helyezve a grafénben mesterséges, ún. spin-pálya kölcsönhatás hozható létre, ami a spininformáció elektromos terekkel való kontrolját teszi lehetővé [9].

Még meglepőbb eredményeket hozott, hogy az egymásra helyezett kétdimenziós kristályok kristályrácsainak szöge is nagyon fontos. Például két egyrétegű grafén egymásra helyezve, egy jól meghatározott „mágikus” szög esetén az anyag szupravezetőve válik. Ezt a területet ma „twistronics”-nak nevezik, utalva arra, hogy a két réteg elforgatása új tulajdonságokat eredményez. A bolyais fizikus kutatásainak egy másik része erre a területre fókuszált [10–11]: azt vizsgálta, hogyan változtatható meg a grafénban lévő elektronok spektruma egy másik, szigetelő kristály (haxagonális bór-nitrid) segítségével. Ebben a rendszerben létre lehet hozni egy kb. 10-20 nm rácsállandójú szuperrácsot, amely az anyag több tulajdonságára is hatással lesz.

Makk Péter kutatásait a BME nanoelektronikai laborjában végezte, szinte kivétel nélkül nemzetközi együttműködésben. A munkába diákokat, PhD-hallgatókat is bevont. „Jelenleg két PhD-hallgató témavezetője vagyok, és több TDK- és OTDK-helyezett diák témavezetésében vettem részt. Az ösztöndíjas időszak előtt a Bázeli Egyetem nanoelektronika-csoportjában voltam posztdoktori kutató, ahol hasonló témákkal foglalkoztam. Új eredményeimnek egy része is az akkor kialakított kapcsolatoknak köszönhető” – mondta a kutató, aki kiemelte, hogy az MTA Bolyai-ösztöndíja komoly segítséget nyújtott hazatérésekor: megteremtette a stabilitást az itthoni kutatások elindításához, illetve a minőségi kutatómunkához.

„A Bolyai-ösztöndíj megerősített abban, hogy olyan témával foglalkozom, amelynek helye van a magyar akadémiai kutatásokban.”

Makk Péternek Bolyai-ösztöndíjas kutatásai során eddig 13 cikke jelent meg, 130-as összesített impaktfaktorral.

Hivatkozott cikkek

[1] Péter Makk, Clevin Handschin, Endre Tóvári, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Klaus Richter, Ming-Hao Liu and Christian Schönenberger, Coexistence of classical snake states and Aharonov-Bohm oscillations along graphene p−n junctions, Phys. Rev. B, 98, 035413 (2018)
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.98.035413

[2] Minkyung Jung, Peter Rickhaus, Simon Zihlmann, Alexander Eichler, Peter Makk and Christian Schönenberger, GHz nanomechanical resonator in an ultraclean suspended graphene p–n junction, Nanoscale, 11, 4355 (2019)
https://doi.org/10.1039/C8NR09963D

[3] L. Wang, S. Zihlmann, A. Baumgartner, J. Overbeck, K. Watanabe, T. Taniguchi, P. Makk and C. Schönenberger, In Situ Strain Tuning in hBN-Encapsulated Graphene Electronic Devices, Nano Lett., 19, 4097 (2019) https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b01491

[4] L. Wang, P. Makk, S. Zihlmann, A. Baumgartner, D. I. Indolese, K. Watanabe, T. Taniguchi and C. Schönenberger, Mobility Enhancement in Graphene by in situ Reduction of Random Strain Fluctuations, Phys. Rev. Lett., 124, 157701 (2020)
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.157701

[5] M. Gurram, S. Omar, S. Zihlmann, P. Makk, Q. C. Li, Y. F. Zhang, C. Schönenberger and B. J. van Wees, Spin transport in two-layer-CVD-hBN/graphene/hBN heterostructures. Phys. Rev. B, 97, 045411 (2018)
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.045411

[6] D. I. Indolese, S. Zihlmann, P. Makk, C. Jünger, K. Thodkar and C. Schönenberger, Wideband and on-chip excitation for dynamical spin injection into graphene, Phys. Rev. Applied, 10, 044053 (2018)
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.10.044053

[7] Z. Kovács-Krausz, A. Md Hoque, P. Makk, B. Szentpéteri, M. Kocsis, B. Fülöp, M. V. Yakushev, T. V. Kuznetsova, O. E. Tereshchenko, K. A. Kokh, I. E. Lukács, T. Taniguchi, K. Watanabe, S. P. Dash and Sz. Csonka, Electrically Controlled Spin Injection from Giant Rashba Spin–Orbit Conductor BiTeBr, Nano Letters (in press, 2020)
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c00458

[8] J. G. Roch, G. Froehlicher, N. Leisgang, P. Makk, K. Watanabe, T. Taniguchi and R. J. Warburton, Spin-polarized electrons in monolayer MoS2, Nature Nanotechnology, 14, 432 (2019)
https://doi.org/10.1038/s41565-019-0397-y

[9] S. Zihlmann, A. Cummings, J. H. Garcia, M. Kedves, K. Watanabe, T. Taniguchi, C. Schönenberger and P. Makk, Large spin relaxation anisotropy and valley-Zeeman spin-orbit coupling in WSe2 /graphene/ h -BN heterostructures. Phys. Rev. B, 97, 075434 (2018)
http://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.075434

[10] D. I. Indolese, R. Delagrange, P. Makk, J. R. Wallbank, K. Wanatabe, T. Taniguchi and C. Schönenberger, Signatures of van Hove Singularities Probed by the Supercurrent in a Graphene-hBN Superlattice, Phys. Rev. Lett., 121, 137701
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.137701

[11] Lujun Wang, Simon Zihlmann, Ming-Hao Liu, Péter Makk, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Andreas Baumgartner and Christian Schönenberger, New Generation of Moiré Superlattices in Doubly Aligned hBN/Graphene/hBN Heterostructures, Nano Letters, 198, 2371 (2019)
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b05061

Bolyai-ösztöndíjas, de nem hivatkozott cikkek:

Zoltán Scherübl, Gergő Fülöp, Cătălin Paşcu Moca, Jörg Gramich, Andreas Baumgartner, Péter Makk, Tosson Elalaily, Christian Schönenberger, Jesper Nygård, Gergely Zaránd and Szabolcs Csonka, Large spatial extension of the zero-energy Yu-Shiba-Rusinov state in magnetic field, Nature Communications, 11, 00201834 (2020)
https://doi.org/10.1038/s41467-020-15322-9

Simon Zihlmann, Péter Makk, Sebastián Castilla, Jörg Gramich, Kishan Thodkar, Sabina Caneva, Ruizhi Wang, Stephan Hofmann and Christian Schönenberger, Nonequilibrium properties of graphene probed by superconducting tunnel spectroscopy, Phys. Rev. B, 99, 075419 (2019)
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.075419

Tímea Nóra Török, Miklós Csontos, Péter Makk, and András Halbritter, Breaking the Quantum PIN Code of Atomic Synapses, Nano Lett., 20, 1192–1200 (2020)
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.9b04617