Kvantesimulator letter forskning i teoretiske supermaterialer

Fysikere ved Utrecht University har skabt en 'kvantesimulator, ' et modelsystem til at studere teoretiske prognoser for en helt ny klasse af materialer. Disse 'supermaterialer' omfatter grafen, som har en todimensionel struktur og unikke egenskaber. Eksperimenterne udført i Utrecht bekræfter ikke kun de teoretiske fysikeres forudsigelser, men også givet ny indsigt. De har opdaget, at ved højere energiniveauer, et simpelt rektangulært gitter har egenskaber, der normalt kun observeres i eksotiske materialer. Resultaterne af deres forskning er publiceret i Naturfysik af 24. april 2017.

Et materiales egenskaber bestemmes af de atomer, det er sammensat af, og hvordan de er organiseret. Beregninger udført af teoretiske fysikere viser, at i visse todimensionelle strukturer, atomer kan organiseres på en sådan måde, at en bred vifte af superkarakteristika kan opnås. Indtil nu, denne forskning har været begrænset til teoretiske forudsigelser - mange af de gitter, som fysikerne fandt på, fandtes simpelthen ikke i naturen, og de er heller ikke blevet produceret i laboratoriet. Imidlertid, ved hjælp af metoden udviklet af fysikerne i Utrecht, disse resultater kan nu testes eksperimentelt.

Todimensionel krystal af elektroner

"Den grundlæggende idé er, at vi kan lave en todimensionel krystal af elektroner i enhver form, vi ønsker, " forklarer forskningsleder Ingmar Swart. "Det giver os mulighed for nøjagtigt at bestemme krystallens egenskaber, som sætter os i stand til at udføre eksperimenter på mange af de ideer, som vores teoretiske kolleger har fremsat."

Swart og hans team har skabt sådan et gitter på et par dusin nanometer bredt på en kobberkrystal. Krystallens overflade indeholder et stort antal elektroner, som tvinges ind i bestemte positioner på overfladen ved at bygge et gitter af kuliltemolekyler med atomær præcision. "Den måde, vi gør det på, kan sammenlignes med en finger, der skubber en pebermyntebolsje frem og tilbage hen over et bord. Men i dette tilfælde, fingeren er en nål med en spids, der ikke er større end et enkelt atom, " forklarer Swart.

Resultaterne indtil videre viser, at de teoretiske forudsigelser er ret nøjagtige. Imidlertid, eksperimenterne har også afsløret et fænomen, som de teoretiske fysikere endnu ikke havde overvejet, og som kan præsentere nye ansøgninger.

Ved højere energiniveauer, et simpelt rektangulært gitter ser ud til at forvandle sig til en struktur kendt som et 'Lieb-gitter'. "Dette Lieb-gitter er det rigtige gitter for visse højtemperatur-superledere. Det er derfor afgørende, at vi forstår karakteristika og opførsel af elektroner i dette gitter, " forklarer teoretisk fysiker prof. Cristiane Morais Smith.

Der er stadig lang vej fra dette modelsystem til nye supermaterialer som grafen. "Men vores system er en slags 'kvantesimulator' som vi kan bruge til at teste nye teoretiske ideer med den optimale grad af fleksibilitet, " siger Morais Smith.