Fysik opdagelse låser op for ingredienser i 2-D sandwich

Alt, hvad der findes i den digitale verden – fotos, tweets, online kurser, denne artikel - gemmes som 1'er og 0'er. På softwareniveau, disse oplysninger er skrevet som computerkode. På hardwareniveau, den kode bringes til live af milliarder af transistorer, der tænder (1) og slukker (0).

Transistorer findes i alt fra computere og smartphones til MP3-afspillere og digitale kameraer. Men kraften og effektiviteten af ​​transistorer er begrænset af de materialer, der er tilgængelige til at konstruere dem.

Nu, forskere fra Northeastern University har gjort en opdagelse, der åbner et helt nyt felt, der udforsker materialer til transistorer, fotodetektorer, fleksibel elektronik, og andre applikationer.

Værket - offentliggjort for nylig i tidsskriftet Videnskabens fremskridt - involverer 2-D krystaller, som er supertynde materialer kun få atomer høje. Kombination af to 2-D krystaller danner en heterostruktur. Indtil nu, fysikere mente, at 2-D krystaller måtte være meget ens, med alle atomerne til at passe perfekt, for at danne en ny heterostruktur.

"Men naturen kaster altid en kurvekugle efter dig, " siger Arun Bansil, University Distinguished Professor of Physics og en af ​​papirets forfattere.

Lektor Swastik Kar var medforfatter til papiret sammen med Bansil og andre kolleger på Northeastern. De observerede for første gang, at to fuldstændigt forskellige 2-D krystaller kan arrangeres oven på hinanden, atom for atom, på en sådan måde, at de passer næsten perfekt sammen og producerer helt nye egenskaber.

"Det ville være som at lave en club sandwich, " sagde Kar. "Du kan få noget, der smager af brød og noget, der smager af kød."

Men nøglen, Bansil forklarer, er ikke bare at samle en sandwich, hvor du kan smage hvert lag for sig. "Du vil gerne have noget madlavning i gang, så du kan få nogle nye smage."

I en verden af ​​kondenseret stof fysik, at opdage, at to meget forskellige 2-D krystaller kan danne en heterostruktur, er som at kombinere vand og mel for første gang og skabe dej. Det giver plads til stort set ubegrænsede muligheder for nye 2D-materialer.

Når naturen 'autokorrigerer, ' opdagelse sker

Opdagelsen skete under et eksperiment, hvor to forskellige 2-D krystaller blev syntetiseret til at stable oven på hinanden. I stedet for bare at sidde der, ude af stand til at interagere på grund af hvor lidt de har til fælles, krystallerne gjorde noget uventet.

"De roterede bare i forhold til hinanden, sagde Bansil. Han demonstrerede ved at placere den ene hånd oven på den anden og dreje i modsatte retninger.

Forskerne fandt ud af, at i stedet for at vokse tilfældigt, disse krystaller roterer for at danne stabile og afstemte konfigurationer, lader nye krystaller dannes.

Denne opdagelse er et eksempel på naturens evne til at "autokorrigere, " observeret her på nanoskala. Den automatiske omstilling gjorde det muligt for de to materialer at sprænge - deres elektroner begyndte at tale med hinanden og vise ny adfærd.

Forskerne eksperimenterede ved yderligere at ændre justeringen af ​​de to lag. De fandt ud af, at med hver ændring, heterostrukturen gav nye egenskaber.

"Tænk, hvis du havde kage, og så snoede du det rundt og det blev en kiks, og du vrider det igen og det bliver til noget andet, " sagde Kar. "Fra et materielt synspunkt, det er hvor spændende det her er."

Kars laboratorium er ansvarlig for syntesen og karakteriseringen af ​​disse materialer. Bansils gruppe er fokuseret på beregningsmæssig kvanteteori. Forskning på materialeområdet anses for stærk, når teori og eksperiment går hånd i hånd, det ene forstærker det andet og omvendt. Og det er præcis, hvad der skete for Kar og Bansil i denne sag.

"Det, vi fandt, er, at en masse ny adfærd i vores system kan forstås meget klart, når vi ser på teorien, der kommer ud af de kvantemekaniske beregninger, " sagde Kar.

Denne forskning kan føre til nye materialer, der ændrer den måde, computere opbevarer 1'erne og 0'erne i den digitale verden på. Da den heterostruktur Kar og hans kolleger skabte kan modificeres på så mange måder på atomniveau, der er et stort potentiale for at skrive, læsning, slette, og på anden måde manipulere information. Med andre ord, det giver forskere mulighed for at ændre, hvordan ingredienser opfører sig, efter at kagen allerede er bagt.

"Den grad af kontrol er meget spændende, " sagde Kar. "Det er ligesom Food Network inde i 2-D materialer."