Gør twist:Lav todimensionale kvantematerialer ved hjælp af buede overflader

Forskere ved University of Wisconsin-Madison har opdaget en måde at kontrollere væksten af ​​vridning, mikroskopiske spiraler af materialer kun et atom tykt.

De kontinuerligt snoede stakke af todimensionale materialer bygget af et team ledet af UW-Madison kemi professor Song Jin skaber nye egenskaber, som forskere kan udnytte til at studere kvantefysik på nanoskalaen. Forskerne offentliggjorde deres arbejde i dag i tidsskriftet Videnskab .

"Dette er den nuværende grænse for 2-D materialeforskning. I de sidste par år har forskere har indset, at når du laver et lille twist mellem atomlag - normalt et par grader - skaber du meget interessante fysiske egenskaber, såsom ukonventionel superledning. For eksempel, det snoede materiale mister sin elektriske modstand fuldstændigt ved den lave temperatur, "siger Jin." Forskere overvejer disse 2-D-kvantematerialer, og kalder sådant arbejde 'twistronics'. "

Yuzhou Zhao, en kandidatstuderende og første forfatter af undersøgelsen, siger standardpraksis for at lave snoede todimensionale strukturer har været mekanisk at stable to ark af de tynde materialer oven på hinanden og omhyggeligt kontrollere vridningsvinklen mellem dem i hånden. Men når forskere dyrker disse 2-D materialer direkte, de kan ikke kontrollere vridningsvinklen, fordi interaktionerne mellem lagene er meget svage.

"Forestil dig at lave en stak kontinuerligt snoede spillekort. Hvis du har hurtige fingre, du kunne sno kortene, men vores udfordring er, hvordan man får atomlagene til at dreje på en kontrollerbar måde selv på nanoskalaen, "Siger Jin.

Jins team fandt ud af, hvordan man kontrollerer disse snoede nanoskala strukturs vækst ved at tænke uden for den flade plads i den euklidiske geometri.

Euklidisk geometri danner det matematiske grundlag for den verden, vi kender. Det giver os mulighed for at tænke på verden i flade fly, lige linjer og rette vinkler. I modsætning, ikke-euklidisk geometri beskriver buede rum, hvor linjer er buede, og summen af ​​vinklerne i en firkant ikke er 360 grader. Videnskabelige teorier, der forklarer rum-tidens kontinuum, ligesom Einsteins generelle relativitet, bruge ikke-euklidisk geometri som grundfjeld. Tænker på krystalstrukturer uden for den euklidiske geometri, Jin siger, åbner spændende nye muligheder.

Zhao og Jin skabte snoede spiraler ved at drage fordel af en form for ufuldkommenhed i voksende krystaller kaldet skrueforskridelser. Jin har studeret en sådan dislokationsdrevet krystalvækst i årevis og havde brugt den til at forklare, for eksempel, væksten af ​​nanotrådstræer. I 2-D materialer, dislokationerne giver et trin op for at følge lag i strukturen, da den spiraler som en parkeringsrampe med alle lag i hele stakken forbundet, justere orienteringen af ​​hvert lag.

Derefter, for at dyrke en ikke-euklidisk spiralstruktur og få spiralerne til at sno sig, Jins team ændrede det fundament, deres spiraler voksede fra. I stedet for at vokse krystaller på et fladt plan, Zhao placerede en nanopartikel, som en partikel af siliciumoxid, under spiralens centrum. Under vækstprocessen, partiklen forstyrrer den flade overflade og skaber et buet fundament for 2-D krystallen at vokse på.

Hvad teamet fandt er, at i stedet for en justeret spiral, hvor kanten af ​​hvert lag ligger parallelt med det forrige lag, 2-D krystallen danner en konstant vridning, flerlagsspiral, der vrider forudsigeligt fra det ene lag til det næste. Vinklen på mellemlagsvridningen stammer fra et uoverensstemmelse mellem de flade (euklidiske) 2-D-krystaller og de buede (ikke-euklidiske) overflader, de vokser på.

Zhao kalder det mønster, hvor spiralstrukturen vokser direkte over nanopartiklen, skabe en kegleformet base, en "fastspiral". Når strukturen vokser over en off-center nanopartikel, som et hus bygget på siden af ​​et bjerg, det er et "ufastgjort spiralformet" mønster. Zhao udviklede en simpel matematisk model til at forudsige spiralernes vridningsvinkler, baseret på den buede overflades geometriske form, og hans modellerede spiralformer matcher godt med de voksne strukturer.

Efter den første opdagelse, UW-Madison materialevidenskabelig og ingeniørprofessor Paul Voyles og hans elev Chenyu Zhang studerede spiralerne under et elektronmikroskop for at bekræfte atomenes justering i disse snoede spiraler. Deres billeder viste, at atomer i tilstødende snoede lag danner et forventet overlappende interferensmønster kaldet et moiré -mønster, som også giver fint lagdelt silketøj dens glans og krusning. Emeritus kemiprofessor John Wright og hans laboratorium gennemførte foreløbige undersøgelser, der tyder på potentialet for usædvanlige optiske egenskaber ved de snoede spiraler.

Forskerne brugte overgangsmetal dichalcogenider som lagene til de snoede spiraler, men konceptet afhænger ikke af bestemte materialer, så længe de er 2-D materialer.

"Vi kan nu følge en rationel model med rod i matematik for at skabe en stak af disse 2-D-lag med en kontrollerbar vridningsvinkel mellem hvert lag, og de er kontinuerlige, "Siger Zhao.

Direkte syntese af vridende 2-D materialer vil gøre det muligt at studere ny kvantefysik i disse 2-D "twistroniske" materialer, som Jin og hans samarbejdspartnere forfølger for alvor.

"Når du ser, matcher alt perfekt med en simpel matematisk model, og du tænker, 'Wow, det fungerer virkelig, 'den slags glæde er, hvorfor vi arbejder med forskning - det' eureka' -øjeblik, hvor du indser, at du nu lærer noget, ingen andre har forstået før, "Siger Jin.