Oprettelse og observation af strømhvirvler i 2-D materialer

Forskere ved University of Chicago og US Department of Energy's Argonne National Laboratory har udviklet en ny metode til at måle, hvordan fotostrømme flyder i et 2-D-materiale - et resultat, der kan have konsekvenser for udvikling af kvantesensorer og næste generations elektronik.

Ved at bruge kvantesensorer til at visualisere magnetfeltet i ekstremt tyndt molybdendisulfid (MoS ₂ ) - et materiale kun tre atomer tykt - holdet opdagede, hvordan fotostrømme (elektriske strømme induceret af lys) flød i materialet - i dette tilfælde, overraskende, i en hvirvel rundt om laseren. Denne ultrafølsomme metode til måling af sådanne strømme i et todimensionelt materiale, som er et stof med en tykkelse på nogle få nanometer eller mindre, vil hjælpe forskere med bedre at forstå materialet i håbet om på sigt at bruge det til at skabe fleksibel elektronik og solceller. Resultaterne blev offentliggjort den 6. januar i tidsskriftet Fysisk gennemgang X .

"Evnen til at observere elektronisk adfærd, der er usynlig for traditionelle målinger, åbner nye veje for videnskabelig undersøgelse, og i sidste ende hjælper os med at designe effektive kvanteteknologier, " sagde hovedefterforsker David Awschalom, Liew familieprofessor i molekylær teknik, seniorforsker ved Argonne National Laboratory, og direktør for Chicago Quantum Exchange. "Denne følsomme måleteknik giver os mulighed for at udforske fænomener på atomær skala og udvikle nye enheder til kvantesansning og kommunikation.

Måling af strømme i ekstremt tynde materialer

For at foretage målingen, Awschalom og holdet placerede MoS ₂ på et kvælstof-fritidscenter, som er en defekt i en diamant, hvor et nitrogenatom sidder ved siden af ​​et ledigt sted i diamantens gitter. Disse pletter kan bruges til at studere elektroniske og nukleare spin-fænomener.

Holdet skinnede derefter med en rød laser på materialet for at se, om de kunne opdage midlertidige magnetiske forstyrrelser (som de antog, at laseren kunne forårsage). Men i stedet for magnetiske forstyrrelser, de opdagede stærke fotostrømme, som kan opstå, når der skinner lys på et materiale. Disse fotostrømme producerer magnetiske felter, mens de strømmer. Fotostrøm er grundlaget bag teknologien i digitale kameraer, solceller, og fiberoptiske netværk.

Forskerne var overraskede over at opdage fotostrømmene, der bevægede sig i en hvirvel rundt om laseren - en form, som ville være umulig at opdage med andre teknikker.

Traditionelle metoder til at måle, hvordan fotostrømme flyder gennem MoS ₂ er svære at udføre og er ofte forkerte. Det er vigtigt at forstå dette fænomen for at udvikle potentielt fleksibel og gennemsigtig elektronik fra MoS ₂ og andre 2-D materialer.

"Vi er meget gladere for, at vi fandt fotostrømme i stedet for de magnetiske forstyrrelser, vi ledte efter, "sagde Paul Jerger, en kandidatstuderende i Awschaloms UChicago-laboratorium og i Argonne, der gennemførte forskningen med den tidligere postdoktor Brian Zhou, der nu er på Boston College. "Forståelse af fotostrømme vil hjælpe os med bedre at forstå de elektriske egenskaber af materialer som dette, med håb om at bruge dem til elektronik som digitale kameraer eller solceller."

Oprettelse af mere kompakte kvanteenheder

Fundet kunne bane vejen for bedre eksperimentelle opsætninger i laboratoriet, hvor kvælstoftomgangscentrene bruges til at udføre kvanteoperationer. Det vil også være nyttigt for at forstå, hvordan fotostrømme genereres og udbredes, som kunne gøre det muligt for forskere at bruge tynde materialer til digitale kameraer, solceller, eller endda on-demand magnetiske felter, der ikke kræver nogen elektriske ledninger.

Dernæst håber holdet at tilpasse processen til at måle fotostrømme ved stuetemperatur, og forsøge at anvende denne teknik til at måle fotostrømme i andre tynde materialer, som grafen.

"Når vi syntetiserer kvantematerialer af højeste kvalitet, vi ønsker helst at måle dem uden at lave forstyrrende elektriske forbindelser, " sagde Jiwoong Park, professor i kemi ved UChicago og fælles ansat ved Argonne, hvis gruppe oprettede MoS ₂ brugt i undersøgelsen. "Denne nye teknik giver os mulighed for at gøre det, baner vejen for at udvikle nye kvantematerialer i processer i industriel skala."