5 Minuten
Nauja medžiagų paradigma
Rutgerso universiteto New Brunswick mokslininkai pranešė apie anksčiau nežinomos medžiagų klasės, kurią vadina „interkristalais“, sukūrimą. Šios sluoksninės struktūros demonstruoja elektronines savybes, skirtingas nuo įprastų kristalų ir kvazikristalų, ir gali pakeisti požiūrį į elektroniką, kvantinius įrenginius bei tvaresnį medžiagų projektavimą. Publikuotas žurnale Nature Materials, tyrimas rodo, kaip nedideli geometriniai pokyčiai atominiame lygmenyje gali smarkiai pakeisti elektronų judėjimą ir atskleisti naujus reiškinių tipus, tokius kaip superlaidumas ir magnetizmas.
Kaip kuriami interkristalai: moirė inžinerija ir twistronika
Rutgerso komanda interkristalus pagamino sudėjusi du grafeno lakštus—kiekvienas vos vieno atomo storio ir išsidėstęs šešiakampėje, medaus korių gardelės tinklo struktūroje—ant šešiakampio boro nitrido (hBN) kristalo. Pasukdami grafeno sluoksnius mažu kampu vienas kito atžvilgiu ir atžvilgiu hBN substrato, tyrėjai sukūrė moirė raštus: didelio masto interferencinius raštus, kurie atsiranda, kai dvi periodinės gardelės nėra sutapusios. Šie moirė supertinklai, esantys twistronikos srityje, veikia kaip naujas periodinis potencialas, keisdamas elektronų sklaidą medžiagoje.
Kas yra twistronika?
Twistronika yra medžiagų projektavimo strategija, kurioje elektroninės savybės yra derinamos sukant atominiu mastu plonus sluoksnius vienas kito atžvilgiu. Santykinis kampas keičia moirė raštą ir todėl — veiksmingą elektroninį kraštovaizdį. Twistronika, kurią Rutgerso grupė pradėjo tyrinėti daugiau nei prieš dešimtmetį, tapo galingu būdu inžinerizuoti koreliuotas elektronų fazes, įskaitant netradicinį superlaidumą ir izoliacines būsenas, nekečiant cheminės sudėties.
Pagrindiniai atradimai: elektronai valdomi geometrijos
Tyrimas parodė, kad interkristalai užima tarpinę padėtį tarp įprastų kristalų ir kvazikristalų. Kol kristalai turi kartojamą translacinę simetriją, o kvazikristalai pasižymi užsakytais, bet nekartojančiais raštais, interkristalai derina abiejų požymius: jie gali turėti nekartojančius moirė išdėstymus, bet išlaikyti simetrijos ryšius, kurie reikšmingai veikia elektronų elgseną.
Kadangi elektroninės juostos interkristaluose yra nustatomos geometrijos, o ne chemijos, smulkūs pasukimo kampo ar išlygiavimo pakeitimai lemia didelius laidumo, magnetizmo ir superlaidumo polinkių pokyčius. Kaip aiškina vyriausioji autorė Eva Andrei, tai suteikia tyrėjams „naują svertą“ valdyti elektronines fazes vien geometrijos pagalba. Bendraautorius Jedediah Pixley priduria, kad įmanoma įsivaizduoti visą įrenginių architektūrą, kurioje perjungimas, jautinimas ir signalų maršrutizacija būtų valdomi atominiu mastu, o ne sudėtingomis medžiagų heterostruktūromis.
Mokslinis pagrindas ir eksperimentiniai duomenys
Eksperimente derintos aukštos tikslumo sluoksnių perkėlimo ir atominio išlygiavimo technikos, siekiant užtikrinti kontroliuojamus pasukimo kampus tarp grafeno lakštų ir hBN substrato. Tada elektroninis transportas ir spektroskopiniai matavimai buvo naudojami nubrėžti, kaip elektronai reaguoja skirtingose geometrinėse konfigūracijose. Gautuose duomenyse atsiskleidė emergentinės juostinės struktūros ir koreliuotos būsenos, kurios sparčiai keičiasi su menkais struktūriniais pakeitimais — tai interkristalinio elgesio požymis.
Kodėl geometrija svarbi
Elektronai kietojo kūno medžiagose užima energetines juostas, kurias lemia atomų išsidėstymas. Reguliariame kristale simetrijos apribojimai daro tas juostas prognozuojamomis. Įvedant moirė raštą, iš esmės sukuriamas naujas periodinis potencialas, turintis daug didesnį erdvinį mastą, keisdamas juostų pločius ir sąveikų stiprius. Interkristaluose pagrindinių gardelių ir moirė supertinklo sąveika sukuria geometrinį frustraciją ir naujas elektronines fazes.
Pasekmės: taikymai, tvarumas ir ateities technologijos
Interkristalai galėtų leisti mažiau energijos prarandančią elektroniką ir kompaktiškus atominio masto jutiklius, kurie yra svarbūs kvantiniam skaičiavimui ir pažangioms vartotojų technologijoms. Galimybė geometrijos pagalba reguliuoti superlaidumą ir magnetinį sutvarkymą atveria kelią energiją taupančioms tranzistorių, neuromorfinėms dalims ir ant lusto integruotiems kvantiniams elementams, kuriems reikia mažiau cheminių dopantų ar sudėtingų gamybos žingsnių.
Tvarumas yra dar viena potenciali nauda: interkristalai gali būti surenkami iš gausių, netoksiškų elementų, tokių kaip anglis, boras ir azotas, siūlydami labiau mastelio pritaikomą alternatyvą įrenginiams, kurie remiasi retomis ar aplinką kenksmingomis žaliavomis.
Eksperto įžvalga
Dr. Miriam Ortega, medžiagų fizikė, neįtraukta į tyrimą, komentuoja: „Šis darbas svariai parodo, kaip moirė inžinerija gali sukurti tikrai naujas medžiagų fazes. Elektroninių sąveikų valdymas geometrijos pagalba mažina priklausomybę nuo cheminiais metodų ir gali supaprastinti įrenginių architektūras. Dabar iššūkis yra atkuriamumas ir šių struktūrų integravimas į mastelio gamybos procesus.“
Susijusios technologijos ir tyrimų kryptys
Atradimas tiesiogiai susijęs su nuolatiniu twistronikos, van der Waals heterostruktūrų ir kvantinių medžiagų tyrimais. Tolimesni žingsniai apims platesnį pasukimo kampų ir substratų pasirinkimą, gamybos išvežimo gerinimą bei dinaminio ir terminio stabilumo tyrinėjimą. Integracija su esamomis puslaidininkių platformomis ir kambario temperatūrai atsparių efektų vystymas išlieka pagrindiniais inžineriniais tikslais.
Išvada
Interkristalai įveda naują svertą medžiagų projektavime: atominio masto geometriją. Sudėlioję ir pasukdami atominiu storio sluoksnius, tokius kaip grafenas ant boro nitrido, tyrėjai gali sukurti moirė supertinklus, kurie pertvarko elektronų elgseną ir sukelia emergentines superlaidumo bei magnetines fazes. Ši geometrinė kontrolė žada kelią energiją taupančiai elektronikai, naujiems kvantiniams įrenginiams ir tvaresnėms medžiagų sistemoms. Tobulėjant eksperimentinėms technikoms ir brandesnėms teorijoms, interkristalai gali tapti pagrindiniais elementais kitų kartos technologijose.
Quelle: scitechdaily
Kommentare