Et laboratoriums irriterende biprodukt leverer nu 2D materialeforskning

Mens man laver materialeprøver for at forfølge deres egne forskningsmål, forskere ved det amerikanske energiministeriums Ames Laboratory opdagede, at et uønsket biprodukt af deres eksperimenter var et ekstremt højkvalitets og svært tilgængeligt stof, eftertragtet af videnskabsmænd, der forskede i lagdelte materialer.

Med et projektnavn som "Complex States, Emergent Phenomena &Superconductivity in Intermetallic and Metal-like Compounds" fornemmer man med det samme, at holdet af videnskabsmænd bag den titel måske har en evne til det mærkelige, usædvanlig, og aldrig-før-set. Ames Lab-gruppen undersøger metalliske og semi-metalliske forbindelser, der har magnetiske, superledende, eller andre egenskaber, der er designet til at undersøge de grundlæggende mysterier om, hvordan korrelerede eller emergente tilstande kan dannes og, også, kan være nyttig i fremtidige tekniske applikationer, såsom energiskabelse, transmission og lagring samt kvanteberegning. Men før de kan undersøge det underlige, usædvanlig, og aldrig før set, de skal klare det – så holdet har også årtiers ekspertise i at skabe disse materialer.

Et fokus i gruppens forskning er MgB ₂ , et svært at fremstille superledende materiale. Så svært, faktisk, at værktøjet, der blev brugt til at lave det, hedder "Udyret". Lurer i kælderen i Ames Laboratory's Spedding Hall, Udyret er en kræsen, magtfulde, og kæmpe højtryksovn, der superopvarmer og super-squasher små mængder af ingredienser, der er svære at kombinere sammen til nye forbindelser.

Mingyu Xu, en kandidatstuderende, har studeret MgB ₂ , og er interesseret i at blive ren og dopet, enkeltkrystalprøver af materialet for bedre at forstå dets superledende egenskaber. Han og Raquel Ribeiro, en lektor i Institut for Fysik og Astronomi ved Iowa State University, arbejde sammen om at indlæse specialdesignede keramiske terninger (grundlæggende vulkansk aske) med de små digler (kopper), der vil blive opvarmet til temperaturer så høje som 2000 C °, og udsat for pres 30, 000 gange højere end normalt atmosfærisk tryk.

"Vi skal være meget præcise, meget specielt om, hvordan vi forbereder og indlæser prøverne, " sagde Ribeiro. "Hvis vi laver en fejl, hvis et stykke er ude af justering, det går i stykker, " hun sagde, forklarer den nådesløse proces med at fremstille materialet. Så krævende er Udyret, Xu og Ribeiro holder styr på deres fejl, som en måde at dokumentere, hvordan man kan forbedre deres forberedelsesmetoder og succesrate.

Når det lykkes, Xus fokus er på MgB ₂ , bogstaveligt talt. Hans mikroskopbilleder er skarpt fokuseret på glimtet af blege guldfarvede krystaller, der bekræfter, at Udyret har forberedt en vellykket, prøve af høj kvalitet. Men billederne fanger også noget andet-den eftertragtede MgB ₂ er omgivet af en rede af gennemskinnelige, flagende materiale, der er et biprodukt af processen, kaldet sekskantet bornitrid, eller hBN.

"Årevis, vi forsøgte at minimere denne irriterende anden fase, " sagde Paul Canfield, Ames Lab fysiker, Distinguished professor og Robert Allen Wright professor i fysik og astronomi ved Iowa State University, og hovedefterforsker på projektet. "Vores søgen var efter MgB ₂ . Vi ville ikke have andre ting, og forsøgte at optimere vores proces for at reducere mængden af ​​det."

I sit samarbejde med fysikere på andre institutioner, imidlertid, han lærte, at hans "irriterende anden fase" faktisk var et meget eftertragtet og svært tilgængeligt isolerende materiale til videnskabsmænd, der forskede i grafen, den 2D lagdelte halvmetal, der først blev opdaget i 2010, og studeres for sine fascinerende og usædvanlige elektrontransportegenskaber.

"Forestil dig, at du opdagede sandwichen, og det er nemt at få skinken, men brød er svært at få fat i. Hvidt brød er kedeligt i sig selv, men hvis du har det, kan du lave din sandwich, " sagde Canfield, "hBN er brødet til at lave den sandwich." Lag af isolerende hBN adskiller grafen og andre nye elektroniske og magnetiske materialer for at skabe nye heterostrukturer; nyfysik sandwich med egenskaber, der i sidste ende kan erstatte transistorer.

Pludselig, Canfields gruppe befandt sig hBN-bagere til andre forskeres 2D-sandwich, der gjorde en indsats - en videnskabelig side-jas, hvis du vil. Xu og Ribeiro har justeret deres systematik ved brug af udyret for at optimere både produktionen af ​​MgB ₂ , og dets ønskelige biprodukt. Ved at gøre det, Ames har udviklet sig til at være en af ​​de få kilder på verdensplan til hBN, spiller en nøglerolle i flere højprofilerede publikationer. Ames Laboratory har leveret hBN til MIT, Rutgers, Princeton, Cornell, Stanford, Lawrence Livermore, og andre institutioner. Den resulterende forskning er blevet omtalt i Naturkommunikation , Natur , og Videnskab .

"Det er virkelig glædeligt, at vi har et Department of Energy National Laboratory, ikke kun at forfølge sine egne forskningsmål, men spiller også en væsentlig rolle i at muliggøre nøglefysiske opdagelser på andre laboratorier og på andre institutioner, " sagde Canfield.