Fysikere rapporterer lovende tilgang til at udnytte eksotisk elektronisk adfærd

I omkring 50 år har videnskabsmænd arbejdet på at udnytte Bloch-svingninger, en eksotisk form for adfærd fra elektroner, der kunne introducere et nyt felt inden for fysik – og vigtige nye teknologier – ligesom mere konventionel elektronisk adfærd har ført til alt fra smarture til computere, der er kraftige nok til at få os til Månen.

Nu, MIT-fysikere rapporterer om en ny tilgang til at opnå Bloch-oscillationer i nyligt introducerede grafen-supergitter. Graphene, et materiale sammensat af et enkelt lag af kulstofatomer arrangeret i sekskanter, der ligner en bikagestruktur, er en glimrende leder af elektricitet. Dens elektroniske egenskaber undergår en interessant transformation i nærvær af et "elektrisk net" (et periodisk potentiale), resulterer i nye typer elektronadfærd, der ikke ses i uberørte materialer. I et nyligt nummer af Fysiske anmeldelsesbreve , forskerne skitserer, hvorfor grafen-supergitter kan være game changers i jagten på Bloch-svingninger.

Normalt, elektroner udsat for et konstant elektrisk felt accelererer i en lige linje. Imidlertid, kvantemekanikken forudsiger, at elektroner i en krystal, eller materiale sammensat af atomer arrangeret på en ordnet måde, kan opføre sig anderledes. Ved eksponering for et elektrisk felt, de kan svinge i små bølger - Bloch -svingninger. "Denne overraskende adfærd er et ikonisk eksempel på sammenhængende dynamik i kvante-mange-kropssystemer, " siger Leonid Levitov, en MIT-professor i fysik og leder af det nuværende arbejde. Levitov er også tilknyttet MIT's Materials Research Laboratory.

Yderligere forfattere er Ali Fahimniya og Zhiyu Dong, begge MIT kandidatstuderende i fysik, og Egor I. Kiselev fra Karlsruher Institut fur Technologie.

Mod nye applikationer

Vigtigt, Bloch-oscillationer forekommer ved en frekvensværdi, der er den samme for alle elektroner og kan indstilles af det påførte elektriske felt. Yderligere, typiske frekvensværdier - i terahertz -området, eller billioner af cyklusser i sekundet - er inden for det område, der er svært tilgængeligt via konventionelle midler. Nutidens elektronik og optik fungerer ved frekvenser under og over terahertz, henholdsvis. "Terahertz-frekvenser er noget midt imellem, og vi nyder ikke så meget af dem som af resten af ​​spektret, "Siger Levitov." Hvis vi let kunne få adgang til dem, der kan være mange applikationer, lige fra bedre ikke-invasiv sikkerhedsscanning i lufthavne til nye elektronikdesigns."

På grund af den interessante fysik og potentielle anvendelser af Bloch -svingninger, gennem årene har mange forskere forsøgt at påvise adfærden. Bloch -svingninger, imidlertid, er meget følsomme over for spredningsprocesser i materialet på grund af gittervibrationer (fononer) og uorden. Som resultat, selvom tidligere arbejde rettet mod at skabe Bloch-svingninger var ekstremt vigtigt - én tilgang, afhængig af halvledende supergitter, førte til en Nobelpris og moderne solid-state lasere - det mødte kun begrænset succes mod sit oprindelige mål. "Folk så signaturer af Bloch-oscillationer i disse systemer, men ikke på det niveau, der ville være nyttigt til noget praktisk. Der var uundgåeligt nogle udfasninger, hvilket viste sig at være temmelig fordømmende [for fænomenet], " siger Levitov.

Et nyt materiale

Indtast et nyt materiale kendt som moiré grafen. Pioneret ved MIT af fysikprofessor Pablo Jarillo-Herrero, moiré grafen er sammensat af to plader af atomisk tynde lag af grafen placeret oven på hinanden og roteret i en lille vinkel. "Og ifølge teorien, dette materiale bør være en ideel kandidat til at se Bloch -svingninger, " siger Levitov. I den nylige avis, han og kolleger analyserede materialets parametre, der påvirker, hvordan elektroner bevæger sig i det, og hvor lidt uorden det har, og "vi viser, at på alle konti, moiré-grafen er lige så godt som de halvledende supergitter, eller bedre. "

Desuden, andre tiltalende varianter af supergitter er dukket op for nylig, involverer grafen parret med sekskantet bornitrid, eller med mønstrede dielektriske supergitter. Blandt yderligere fordele, grafen supergitter er meget lettere at lave end de komplicerede strukturer, der er nøglen til det tidligere arbejde. "Disse systemer blev kun produceret af nogle få højt kvalificerede grupper rundt om i verden, " siger Levitov. Moiré-grafen bliver allerede lavet af flere grupper alene i USA, og mange flere på verdensplan.

Endelig, Levitov og kolleger siger, moiré graphene opfylder et andet vigtigt kriterium for at gøre Bloch -svingninger praktiske. Mens elektronerne involveret i svingningerne gør det med samme terahertz -frekvens, uden lidt hjælp vil de gøre det uafhængigt. Nøglen er at lokke dem til at svinge synkront. "Hvis du kan gøre det, så går du fra i det væsentlige et elektronfænomen til makroskopiske svingninger, der let kan påvises og er meget anvendelige, fordi de bliver en kilde til makroskopisk strøm, " siger Levitov. Forskerne mener, at elektronerne i moiré-grafen burde være ret modtagelige for synkronisering ved hjælp af standardteknikker.

Dmitri Basov, Higgins professor og formand for fysik ved Columbia University, kommentarer, "Som mange andre forudsigelser af Leonid Levitov og hans team, dette nye resultat på Bloch-oscillationer vil helt sikkert motivere adskillige eksperimentelle undersøgelser. Jeg forudser, at det ikke vil være let at observere Bloch-svingninger i moiré-fladbåndssystemer, men vi vil bestemt prøve." Basov var ikke involveret i arbejdet, der blev rapporteret i Fysiske anmeldelsesbreve .

Levitov er begejstret for at fortsætte arbejdet, som vil omfatte MIT bachelorer. "Den bedste del af dette vil komme senere, når vi ser eksperimentelle resultater, der beviser ideen, " han siger.