Styrende kræfter mellem atomer, molekyler, lovende for 2-D hyperbolske materialer

En ny tilgang til at kontrollere kræfter og interaktioner mellem atomer og molekyler, såsom dem, der anvendes af gekkoer til at klatre op på lodrette overflader, kunne bringe fremskridt inden for nye materialer til udvikling af kvantelyskilder.

"Tætte atomer og molekyler i vores miljø interagerer konstant, tiltrækker og frastøder hinanden, " sagde Zubin Jacob, en assisterende professor i elektro- og computerteknik ved Purdue University. "Sådanne interaktioner muliggør i sidste ende et utal af fænomener, såsom de klæbrige puder på gekkofødder, samt fotosyntese."

Typisk, disse interaktioner opstår, når atomer og molekyler er mellem 1 og 10 nanometer fra hinanden, eller cirka 1/10, 000. bredden af ​​et menneskehår.

"Disse omfatter Van der Waals-kræfter, der kun finder sted mellem atomer og molekyler, når de er meget tæt på hinanden. Det faktum, at de altid kræver ekstremt korte adskillelsesafstande, gør dem svære at kontrollere. Dette udgør en stor hindring for at udnytte dem til praktiske anvendelser. " han sagde.

I korte perioder siges atomer at besidde "fluktuerende dipoler", fordi deres positive og negative ladninger er momentant adskilt. Dipolerne fra adskillige atomer og molekyler interagerer nogle gange med hinanden, og disse dipol-dipol-vekselvirkninger er grundlaget for Van der Waals og andre kræfter mellem de tæt anbragte atomer og molekyler.

Forskerne har vist, at disse dipol-dipol-interaktioner er fundamentalt ændret inde i såkaldte todimensionelle materialer, såsom sekskantet bornitrid og sort fosfor, materialer med en tykkelse, der kun består af få atomlag. De har også vist, at det er muligt at opnå dipol-dipol-interaktioner, selv når atomerne og molekylerne er relativt fjerne, med en adskillelse, der nærmer sig en mikron, eller 100 gange længere fra hinanden, så ville det normalt være nødvendigt. Denne større afstand repræsenterer potentialet for den praktiske anvendelse af fænomenet for optiske kilder.

Resultaterne er beskrevet i et papir offentliggjort tidligere på året i tidsskriftet Naturkommunikation . Artiklen er forfattet af ph.d.-studerende Cristian L. Cortes og Jacob.

"Vores hovedmål var at prøve at forstå, om det er muligt at kontrollere og manipulere denne slags interaktioner, " sagde Cortes. "Det, vi fandt, var, at ved omhyggeligt at konstruere materialeegenskaber, det er muligt væsentligt at ændre styrken og det rumlige område af disse interaktioner. Vi fandt ud af, at såkaldte hyperbolske materialer faktisk tillader meget lang rækkevidde interaktioner i modsætning til noget andet konventionelt materiale."

Dipol-dipol-interaktioner får også mange fluorescerende atomer og molekyler til at udsende lys på en synkroniseret måde. Normalt, fluorescerende molekyler udsender lys i tilfældige og spontane blink. Imidlertid, materialer kan være konstrueret til at mediere interaktioner, så emissionen bliver synkroniseret, blinker i kor, og øget lysudbytte dramatisk i et fænomen kaldet super-udstråling.

De hyperbolske todimensionelle materialer er konstrueret til at inducere denne super-udstråling mellem fluorescerende kvanteemittere placeret langt fra hinanden.

"Når de interagerer gennem disse materialer, kan de blive låst ind i hinanden som to penduler, der er perfekt synkroniseret, " sagde Jacob.

Materialerne siges at være "stærkt interagerende" på grund af den langtrækkende dipol-dipol-effekt.

De "langrækkende" interaktioner kunne muliggøre nye typer lyskilder, der udnytter super-udstråling. Et andet udfordrende mål er at bygge kvantesimulatorer ved hjælp af et netværk af interagerende emittere til at efterligne "Coulomb-interaktioner" eller "spin-interaktioner" mellem elektroner i et materiale.

Selvom Naturkommunikation papir fokuserer på teori, forskerne foreslog også flere eksperimentelle metoder til at validere teorien. De udfører et eksperiment med hyperbolske 2D-materialer på Birck Nanotechnology Center i Purdues Discovery Park.